斯坦福大學科學家首次制作出難以捉摸的準粒子的完整圖片

這些發現于2022年3月8日發表在《自然》雜志上，研究人員來自美國能源部的SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學和日本沖繩科學技術研究所（OIST）。當光與物質相互作用時，無論是在光伏設備中吸收光以產生太陽能，還是在LED中從電力中產生光，激子可以發揮重要的作用。無論是對于基本的理解還是對于新技術的開發，例如量子信息科學的單光子發射器，我們都需要對激子的性質和屬性有一個全面的了解。

當光線照射到薄薄的半導體材料上時，激子就會產生。這導致電子從它們在原子中的正常位置被彈出，產生被稱為"洞"的空位，這些空位以與電子相同的方式在材料中流動。當一個電子和一個空穴形成一個短暫的結合時，就會形成一個激子。電子和空穴相互旋轉，就像舞者牽手一樣，它們以這種方式繼續下去，直到電子落回空穴中。

然而，由于激子的壽命很短，只有十億分之一秒--對它們的研究已經停滯。激子在一起的時間越長，科學家就能從它們身上學到更多的東西，它們就會變得更加有用。現在，聯合團隊宣布，他們獲得了第一張顯示電子如何相對于激子中的空穴分布的圖像。

在這項最新的研究中，該團隊研究了在兩種不同半導體的原子級薄膜的界面上發展的激子。這是一個令人興奮的前沿領域，因為這些激子可能比單層中的激子持續時間長一千到一百萬倍。首先，他們首次測量了激子空穴的大小，這是一個真正的挑戰，因為空穴是電子的缺失，不是一個真正的粒子，而且它本身不發射任何信號。研究人員能夠通過它們在實驗數據中留下的獨特的空隙來識別空穴，這使研究人員能夠更全面地了解電子在空穴周圍的運動和整個激子的運動。

然后，他們著手通過將兩種不同的半導體薄膜以微小的角度分層來捕獲激子，從而在原子尺度上創造出摩爾紋圖案。摩爾紋圖案中的每個孔都是一種能量井，可以吸引和容納一個激子，而材料的設計使這些能量井與激子一樣大，甚至略小。

當他們用tr-ARPES觀察摩爾紋結構，看激子是否以及如何融入其中時，他們發現每個激子都緊緊地坐在它的井中，就像一個被發球機夾住的高爾夫球。這是出乎意料的，因為以前認為需要更大的井來捕獲激子，但更小的井是首選，因為它們更穩定，形成更均勻的陣列。

有了這種對激子等復合粒子進行全面成像的新能力，研究人員可以繼續探索更復雜的電子和空穴排列，這將闡明二維和其他量子材料中多粒子相互作用的性質。