研究表明單層WTe2為一種激子絕緣體

普林斯頓大學的研究人員最近開展的一項研究表明，單層二碲化鎢（WTe₂）為一種激子絕緣體（excitonic insulators, EI）。二碲化鎢是一種過渡金屬硫化物（TMD），具有許多獨特的性能和特點使其成為電子應用領域的理想材料。過去的研究已經表明，單層的二維二碲化鎢晶體形成了第一個單層拓撲絕緣體，表現出的拓撲特性可以持續到非常高的溫度（~100K）。

過去，物理學家已經能相當好地理解該材料的拓撲結構的起源，但是，二碲化鎢單層材料表現為絕緣體的原因仍然不清楚。理論預測和計算表明，該材料原則上應該是一種半金屬，其中電子和空穴共存並自由移動。

普林斯頓大學的研究人員最近進行了一項研究，調查單層二碲化鎢的電子特性。他們發表在《自然-物理學》上的論文提供了強有力的證據，證明這種材料是一種EI，在被稱為“激子”的電子-空穴結合狀態的自發形成。

激子絕緣體產生於半導體中綁定的電子-空穴對（激子），為量子多玻色子物理學提供了一個固態平臺。

“我們工作的最初目的是瞭解非常新穎的二維材料單層WTe2的量子特性，”進行這項研究的研究人員之一Sanfeng Wu告訴Phys.org。“我們的研究進行了系統的研究，以解決這一難題，並發現強有力的證據表明這種二維絕緣體是一種EI。”

“激子是帶電的中性粒子，像氫原子一樣，”Wu解釋說。“激子的概念在半導體物理學中並不新鮮，例如，激子在半導體的光激發和發射中起著關鍵作用。然而，半導體中的光激發激子是非常短暫的，因為它們必須在納秒內衰變，例如通過發射光。相反，在EI中，激子不會發光，也不會衰變。”

在他們的實驗中，研究人員排除了單層二碲化鎢是一個帶狀絕緣體的可能性。為了做到這一點，他們使用電子隧道光譜檢查了二維二碲化鎢晶體。

“我們得出結論，單層絕緣狀態的形成是由於內在的電子關聯，”Wu說。“結合這一事實，即該狀態正好出現在電荷中和，意味著電子和空穴的數量正好相等，很明顯，單層絕緣體是一種激子絕緣體。”

Wu和他的同事們還發現，他們檢查的單層WTe2樣品表現出不尋常的傳輸行為，與那些在EI中預期的行為一致。隨後，他們開發了一個理論模型，考慮了電子-空穴的相關性，進一步支持了EI相的形成。

這個研究小組最近進行的研究表明，單層二碲化鎢是一個有前景的二維EI候選材料。在未來，它可以為進一步研究單層二碲化鎢或其他具有類似結構的材料提供參考，以探索發現更多激子絕緣材料的可能性。

“我們的研究確定了單層WTe2是一個獨特的激子絕緣體，未來不僅可以研究激子絕緣態，還可以研究其他可能的新量子相，如激子超導，特別是單層二碲化鎢可以從激子絕緣態被靜電調諧到超導體態，”研究生和論文的主要作者Yanyu Jia告訴Phys.org。“揭示這兩個階段之間的基本關係將是非常有用，並且肯定會加深我們對材料中量子現象的理解。”

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