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半導體所等在拓撲激子絕緣體相研究中取得進展

上世紀60年代,諾貝爾獎獲得者Mott提出激子絕緣相,Mott提出考慮庫侖屏蔽效應,在半金屬體系中電子-空穴配對而形成激子,可能會導致體系失穩,從而在半金屬費米面處打開能隙,形成激子絕緣體狀態。但迄今爲止,實驗上觀測激子絕緣體相是一個尚未完全解決的關鍵科學問題。激子絕緣體相存在及其玻色-愛因斯坦凝聚的確鑿證據並不充分,主要是由于激子的壽命較短,帶來觀測上的困難。

  InAs/GaSb半導體量子阱系統是重要的紅外探測器體系,其能帶結構獨特,本征情況下會自發形成空間分離的二維電子氣和空穴氣。由于其電子、空穴的空間分離,激子壽命變長,爲研究激子絕緣體提供了良好的平台。在InAs/GaSb半導體量子阱中,通過調節InAs和GaSb層厚,可使GaSb層的價帶頂高于InAs層的導帶底,體系中可以自發地形成局域于InAs層的電子氣和局域于GaSb層的空穴氣,兩者在實空間分離。美國斯坦福大學張首晟研究組的理論工作證明,InAs/GaSb量子阱的基態是二維量子自旋霍爾絕緣體;美國萊斯大學/北京大學杜瑞瑞實驗組在該系統中觀察到拓撲邊緣態的輸運,並發現邊緣態輸運即使在強磁場下仍能保持。

  如果考慮電子-空穴間的庫侖作用,即當激子束縛能大于體系的雜化能隙時,理論上猜想該體系基態形成如Mott預言的激子絕緣體相甚至拓撲激子絕緣相。美國萊斯大學/北京大學杜瑞瑞實驗組、美國萊斯大學大學Kono實驗組和中國科學院半導體研究所常凱理論組,從實驗和理論兩方面研究InAs/GaSb量子阱中的激子絕緣相。研究員常凱、副研究員婁文凱構造了平行磁場下激子的多帶量子多體理論模型,研究激子絕緣相的基態及其獨特的色散,發現激子的基態是處于有限動量處的暗激子。在低溫且低電子-空穴對密度情形下,體系打開類似BCS超導體中的能隙。通過研究激子的色散關系,提出利用太赫茲透射譜來驗證激子絕緣體的存在,指出太赫茲透射譜表現爲兩個吸收峰,理論計算預言的吸收峰位與實驗一致,爲激子絕緣相光學觀測提供了理論依據。

  相關研究成果發表在Nature Communications上。轉載于中國科學院。

 

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