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半导体所等在拓扑激子绝缘体相研究中取得进展

上世纪60年代,诺贝尔奖获得者Mott提出激子绝缘相,Mott提出考虑库仑屏蔽效应,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子,可能会导致体系失稳,从而在半金属费米面处打开能隙,形成激子绝缘体状态。但迄今为止,实验上观测激子绝缘体相是一个尚未完全解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因斯坦凝聚的确凿证据并不充分,主要是由于激子的寿命较短,带来观测上的困难。

  InAs/GaSb半导体量子阱系统是重要的红外探测器体系,其能带结构独特,本征情况下会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴的空间分离,激子寿命变长,为研究激子绝缘体提供了良好的平台。在InAs/GaSb半导体量子阱中,通过调节InAs和GaSb层厚,可使GaSb层的价带顶高于InAs层的导带底,体系中可以自发地形成局域于InAs层的电子气和局域于GaSb层的空穴气,两者在实空间分离。美国斯坦福大学张首晟研究组的理论工作证明,InAs/GaSb量子阱的基态是二维量子自旋霍尔绝缘体;美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组在该系统中观察到拓扑边缘态的输运,并发现边缘态输运即使在强磁场下仍能保持。

  如果考虑电子-空穴间的库仑作用,即当激子束缚能大于体系的杂化能隙时,理论上猜想该体系基态形成如Mott预言的激子绝缘体相甚至拓扑激子绝缘相。美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组、美国莱斯大学大学Kono实验组和中国科学院半导体研究所常凯理论组,从实验和理论两方面研究InAs/GaSb量子阱中的激子绝缘相。研究员常凯、副研究员娄文凯构造了平行磁场下激子的多带量子多体理论模型,研究激子绝缘相的基态及其独特的色散,发现激子的基态是处于有限动量处的暗激子。在低温且低电子-空穴对密度情形下,体系打开类似BCS超导体中的能隙。通过研究激子的色散关系,提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在,指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰,理论计算预言的吸收峰位与实验一致,为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。

  相关研究成果发表在Nature Communications上。转载于中国科学院。

 

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