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米测MeLab

2025-04-23

编辑总结

2D系统(two-dimensional system or 2D sys-tem)一类特殊的时间空间系统。凡仅在时间和空间各维度中的两个维度上具有相互独立的动态的空间、时间系统均可称为2D系统。在一对二维（2D）系统，其中一个为电子载流子系统，另一个为空穴载流子系统，中间由一层薄绝缘层隔开，可以形成相关的层间激子。这类激子被预测可展现出超流特性，以及所谓的“完美库仑拖曳”效应，即一层中的电流会在另一层中诱导出大小相等、方向相反的电流。

如今，两项研究在由二硒化钼（MoSe₂）和二硒化钨（WSe₂）层构成的异质结构中，观察到了在低温下近乎完美的拖曳效应，这两层之间由六方氮化硼（h-BN）隔开。Nguyen 等人采用的是输运测量技术，而 Qi 等人则采用了光学技术。这些研究为进一步探索这类异质结构中的激子输运行为，包括激子超流的搜索，提供了新的实验路径。——Jelena Stajic

研究背景

激子绝缘体（EI）是一类固态系统中类玻色子相的原型，能够支持电中性激子电流。然而，在 EI 中演示激子输运仍具有挑战性。

鉴于此，康奈尔大学麦健辉和单杰教授在Science期刊上发表了题为“Perfect Coulomb drag in a dipolar excitonic insulator”的最新论文。在本研究中，该团队展示了在 MoSe₂/WSe₂双层结构中，当电子和空穴的密度相等时，由于强烈的层间激子关联，在没有外加磁场的条件下，系统展现出了完美库仑拖曳效应：在一层中施加电流，会在另一层中感应出一个大小相等、方向相反的拖曳电流，该效应在低温下实现。即便温度升高至约20开尔文，拖曳电流比值依然保持在0.9以上。

随着激子密度超过Mott密度，激子会突然解离成电子-空穴等离子体，此时仅能观察到普通的摩擦拖曳。我们的实验工作可能为实现激子电路与激子超流开辟道路。

麦健辉2005年毕业于香港科技大学，2010年获美国哥伦比亚大学物理学博士，随后分别在哥伦比亚大学和康奈尔大学从事博士后研究。2018年入职康奈尔大学物理系和应用与工程物理系。

单杰则于1996年获得俄罗斯莫斯科国立大学数学与物理专业文凭和博士学位。2001年获得哥伦比亚大学物理学博士学位。2018年加入康奈尔大学应用与工程物理学院担任正教授。

研究亮点

（1）实验首次在无磁场条件下，实现了完美库仑拖曳效应，得到了清晰表征激子输运行为的实验结果。研究基于过渡金属二硫化物（TMD）双层结构，通过构建MoSe₂/WSe₂异质结，实现了自发形成的偶极激子绝缘体，并在低温下观测到拖曳电流比值超过0.9的高效激子输运，显著优于此前仅在量子霍尔条件下实现的结果。

（2）实验通过设计具有独立电子和空穴接触的双层电容器结构，结合精确的电控手段，实现了对激子密度和化学势的调节，从而探测出激子行为与层间库仑相互作用的直接关系。

• 在施加层间偏压 Vb后，研究者调控了准粒子带隙，使其低于激子束缚能，促使偶极激子的自发形成，构建了稳定的激子绝缘体态。

• 通过闭合电路与开路两种方式分别测量拖曳电流和电压，系统地验证了完美拖曳的实现，并将其与激子输运行为直接关联。

• 此外，实验还在热平衡条件下首次观察到激子Mott转变，为研究激子体系中从绝缘态向等离子态的转变机制提供了关键证据，补充了以往依赖光激发的非平衡研究路径。

图文解读

图1: 偶极激子绝缘体excitonic insulators，EI中的库仑阻力测量。

图2. 激子传输和静电相图。

图3 完全库仑阻力

图4. 激子绝缘体EI到金属的转变。

结论展望

本研究在低温下成功实现了完美的库仑拖曳效应，拖曳电流比率在约20K以下保持在0.9以上，且这一效应发生在通过薄hBN屏障隔开的TMD原子双层中实现的门控激子绝缘体（EI）中。拖曳电阻测量进一步揭示了在Mott密度下的EI到金属的转变。

这些研究得益于成功地建立了对EI中电子和空穴成分的独立电接触。完美的库仑拖曳效应证明了激子在EI中的纯粹输运。然而，目前器件中Mo层的较大接触电阻阻碍了我们判断激子输运是否无耗散——即是否存在激子超流现象。未来的四端激子端点测量能够驱动激子电流，并同时测量沿通道的激子化学势下降，这应能为激子通道中的耗散设定上限。

原文详情：

Phuong X. Nguyen et al. ,Perfect Coulomb drag in a dipolar excitonic insulator.Science388,274-278(2025).DOI:10.1126/science.adl1829