王楓團(tuán)隊(duì)作為超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool的早期用戶，已在OptiCool上取得了眾多重要成果，近年來已經(jīng)有數(shù)篇學(xué)術(shù)論文發(fā)表在Science、Nature系列著名期刊上。近期，該團(tuán)隊(duì)再次憑借 OptiCool 平臺(tái)，利用創(chuàng)新的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，在低溫下觀測(cè)到了完美的庫侖拖拽，相關(guān)研究成果登上Science期刊，這一成果再次彰顯了 OptiCool 在推動(dòng)前沿科研中的關(guān)鍵作用。

圖1. 超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool

背景介紹

激子絕緣體是一種由強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子-空穴對(duì)（激子）組成的量子態(tài)，其特性介于絕緣體與超流體之間。理論預(yù)測(cè)，在二維電子-空穴雙層系統(tǒng)中，當(dāng)層間距離遠(yuǎn)小于層內(nèi)粒子間距時(shí)，電子和空穴可通過庫侖相互作用形成間接激子，并在低溫下呈現(xiàn)超流體或玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。然而，這類量子態(tài)的觀測(cè)長期受限于傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)量的技術(shù)瓶頸，例如過渡金屬硫族化合物（TMD）材料的高接觸電阻和低摻雜下的載流子屏蔽效應(yīng)。

近期，加州大學(xué)伯克利分校王楓/Andrew Y. Joe團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志發(fā)表題為“Perfect Coulomb drag and exciton transport in an excitonic insulator”的研究結(jié)果，通過創(chuàng)新的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，突破性的在無外加磁場(chǎng)的MoSe?/hBN/WSe?異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到完美庫侖拖拽效應(yīng)，并揭示了激子絕緣體相中獨(dú)特的輸運(yùn)行為。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)激子體系的理解，還為未來開發(fā)基于激子的低能耗電子器件提供了新思路。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料制備

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由單層MoSe?（電子層）和單層WSe?（空穴層）組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，中間以3 nm厚的六方氮化硼（hBN）作為隧穿勢(shì)壘（圖2A）。通過雙門控設(shè)計(jì)（頂部石墨烯柵極和底部雙柵極），精確調(diào)控電子和空穴的密度（圖2C-D）。

圖2. 相關(guān)聯(lián)的電子空穴雙層器件

創(chuàng)新的測(cè)量方法

用戶在OptiCool系統(tǒng)中采用光學(xué)反射光譜測(cè)量結(jié)合電容驅(qū)動(dòng)方法創(chuàng)造性的對(duì)激子絕緣體相中獨(dú)特輸運(yùn)行為進(jìn)行了高精度的測(cè)量。

1. 反射光譜技術(shù)：利用反射光強(qiáng)度對(duì)載流子密度的敏感性（圖2F），通過單色激光探測(cè)局部電子或空穴密度的振蕩變化，間接測(cè)量電荷與激子的輸運(yùn)行為，避免了傳統(tǒng)電學(xué)接觸的高阻抗問題。

2. 電容驅(qū)動(dòng)法：在底部柵極施加交流電壓調(diào)制（頻率范圍82 Hz–41 kHz），通過電容耦合驅(qū)動(dòng)電荷和激子在兩個(gè)區(qū)域間振蕩，結(jié)合鎖相放大器檢測(cè)反射光的交流分量，定量分析激子遷移率與電阻（圖3D）。

核心發(fā)現(xiàn)

本研究中，研究者在低溫下觀測(cè)到了完美的庫侖拖拽。在低溫和電子-空穴密度平衡條件下，驅(qū)動(dòng)層（空穴層）的電流會(huì)引發(fā)拖拽層（電子層）產(chǎn)生完美反向且等量的電流。這一現(xiàn)象僅在激子絕緣體相中顯著，表明激子主導(dǎo)了輸運(yùn)過程。

盡管理論預(yù)測(cè)激子超流體會(huì)在低溫下出現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)并未觀察到激子超流體。研究人員推測(cè)，樣品中的無序性或量子漲落可能抑制了超流相變。此外本文中研究人員還研究了摻雜對(duì)庫侖拖拽效率的影響，未配對(duì)電荷（電子或空穴）的輸運(yùn)逐漸主導(dǎo)（圖3E-G），表明激子與自由載流子的競(jìng)爭(zhēng)行為。

圖3. 激子與電荷的輸運(yùn)測(cè)量

科學(xué)意義與未來展望

本研究開發(fā)的光學(xué)測(cè)量方法為低維強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的研究提供了新工具，尤其適用于難以制備電學(xué)接觸的高質(zhì)量TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該光學(xué)技術(shù)可擴(kuò)展至其他量子材料體系，為探索關(guān)聯(lián)電子態(tài)開辟新路徑。完美庫侖拖拽效應(yīng)可用于設(shè)計(jì)高效能量轉(zhuǎn)換器件，例如激子晶體管或量子信息處理器。研究團(tuán)隊(duì)指出，未來通過優(yōu)化樣品質(zhì)量（如降低缺陷密度）或探索其他二維材料組合（如扭曲雙層結(jié)構(gòu)），有望實(shí)現(xiàn)更高溫度的激子超流體態(tài)。此外，這項(xiàng)研究不僅揭示了二維激子絕緣體的獨(dú)特輸運(yùn)行為，更展示了光學(xué)手段在量子材料研究中的強(qiáng)大潛力，為下一代電子器件的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

相關(guān)設(shè)備

本研究中創(chuàng)新的反射光譜相關(guān)測(cè)量方法，是在Quantum Design公司生產(chǎn)的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)——OptiCool上完成的，也是用戶王楓團(tuán)隊(duì)利用Opticool平臺(tái)發(fā)表數(shù)篇Science、Nature后的又一重磅成果。

圖4. OptiCool® Vector，4-1-1矢量場(chǎng)系統(tǒng)

Quantum Design公司具有超過40年的前沿低溫設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，所生產(chǎn)的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備遍布全球多個(gè)實(shí)驗(yàn)室。公司最新研發(fā)的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)系統(tǒng)—OptiCool具有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達(dá)±7T的磁場(chǎng)或者4-1-1矢量磁場(chǎng)。多個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口方便光線由各個(gè)方向引入樣品腔。底部窗口選件可滿足光路平行于磁場(chǎng)的透射方案。高度集成式的設(shè)計(jì)讓您的樣品在擁有低溫磁場(chǎng)的同時(shí)擺脫大型低溫系統(tǒng)的各種束縛。該平臺(tái)一經(jīng)發(fā)布就受到全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，目前我們已經(jīng)為用戶提供的整體解決方案有：

?  共聚焦拉曼/熒光掃描成像系統(tǒng)

?  磁光克爾/磁圓二色測(cè)試系統(tǒng)

?  熒光壽命掃描成像系統(tǒng)（FLIM）

?  偏振分辨的二次諧波掃描成像系統(tǒng)

?  紫外/可見/近紅外光譜共聚焦掃描成像系統(tǒng)

?  多功能光電流掃描成像系統(tǒng)

?  三階光學(xué)非線性的Z掃描系統(tǒng)

?  白光/熒光角分辨系統(tǒng)