科学家在拓扑激子绝缘体相研究取得突破性进展

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。

（a）InAs/GaSb量子阱能谱图；（b）实验装置示意图；（c）激子绝缘体色散关系；（d）激子绝缘体联合态密度；（e）THz吸收谱；（f）-（h） THz吸收谱：固定磁场不同温度（f），固定温度不同磁场（f，h）；（i）带隙与温度关系；（j）测量纵向电导与门电压之间关系；（k）不同磁场强度下InAs/GaSb能谱结构。