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rlafite木虫 (正式写手)
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单配量子伴侣的突然“分手”令研究人员惊讶
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单配量子伴侣的突然“分手”令研究人员惊讶 **单配量子伴侣的突然“分手”令研究人员惊讶** 量子粒子在某种意义上也有“社会生活”。它们彼此相互作用并形成各种关系，而量子粒子最重要的特性之一，是它究竟是“内向型”的——**费米子**，还是“外向型”的——**玻色子**。 外向型的玻色子乐于挤进同一个量子态中，从而产生诸如**超导**和**超流**等引人注目的现象。与此相反，内向型的费米子在任何条件下都不会共享量子态——正是这一特性使得固体物质的各种结构得以形成。 然而，量子粒子的“社会生活”并不仅仅取决于它们是费米子还是玻色子。粒子之间会以复杂的方式相互作用，从而产生我们所熟知的一切，而量子粒子间的相互作用是理解材料为何具有特定性质的关键。例如，在某些情况下，电子会与材料中的某个特定原子紧密“绑定”，使材料表现为绝缘体；而在另一些情况下，电子则相对独立、自由移动——这是导体的典型特征。 在一些特殊情形下，电子甚至会彼此配对，形成忠诚的“伴侣”，即**库珀对**，从而使超导成为可能。正是这些量子层面的“关系”，决定了材料的性质，并构成了从最简单的电线到最前沿的激光器和太阳能电池等技术的物理基础。 --- ### 粒子相互作用中的意外结果 JQI 研究员 **Mohammad Hafezi** 及其同事着手研究：在材料中调节费米子与玻色子的比例，如何改变其中的相互作用。他们原本预期，费米子不仅会彼此回避，也会避开实验中选用的玻色子，因此推断大量费米子会形成“人墙”，阻碍玻色子的远距离运动。 实验结果却恰恰相反：当研究人员试图用费米子构成的“路障”将玻色子冻结在原地时，玻色子反而开始快速移动。 “我们一开始以为实验肯定哪里出了问题，”现任马里兰大学巴尔的摩分校助理教授、前 JQI 博士后研究员 **Daniel Suárez-Forero** 说道，“那是我们的第一反应。” 然而，研究人员对结果进行了反复而全面的核查，最终找到了合理的解释。他们于 **2026 年 1 月 1 日** 在《**Science**》期刊上发表了实验结果与结论。研究表明，他们无意中发现了一种让量子粒子“打破社交常规”的方式，从而引发了显著且可能具有应用价值的行为变化。 --- ### 电子与空穴如何相互作用 该团队的实验研究了电子彼此之间，以及电子与由一个电子和一个**空穴**组成的“伴侣”之间的相互作用。空穴并不像电子那样是真正的粒子，而是一种**准粒子**——它们表现得像粒子，但只作为周围介质中的一种扰动而存在。 空穴产生于材料中某个原子缺失一个电子，从而留下未被补偿的正电荷。空穴可以在材料内部移动并像粒子一样携带能量，但它永远无法离开宿主材料；一旦有电子落入空穴中，空穴便会消失。 有时，电子与空穴会形成一种类似原子的结构（其中空穴扮演“质子”的角色）。在这种情况下，电子和空穴会一起运动，并表现为一个单一的量子对象，研究人员称之为**激子**（exciton）。打破激子中的电子—空穴配对通常需要额外能量，因此在激子运动过程中，电子与空穴几乎总是“形影不离”。正因如此，物理学家将激子的这种关系称为“**单配**”或“**一夫一妻式**”。 由此形成的复合激子是**玻色子**，而单个电子则是**费米子**。二者的共存，为研究团队开展费米子—玻色子相互作用实验提供了理想的体系。 “至少我们原本是这样认为的，”该研究团队前 JQI 研究生、现任西班牙光子科学研究所博士后研究员 **Tsung-Sheng Huang** 表示，“按理说，外来的费米子不应该分别‘看到’激子的组成部分；但实际上，事情并没有那么简单。” **实验设计与粒子操控** 为了获得所需的粒子并实现对它们的有效操控，研究人员通过精确对准两种超薄材料的层状结构，构建了一种具备实验所需特性的材料。该材料的性质使研究人员能够轻松地产生寿命相对较长的激子，而其结构则通过提供一组整齐排列的位置点，保持体系的有序性——每一个激子或未成对的电子都必须占据其中的一个位置。 由于这种结构的存在，电子和激子并不会将材料视为一个人满为患、只能站立的音乐会现场，而更像是一家为情人节精心布置的餐厅——整个空间被许多小巧而私密的餐桌占满。在这种材料中，每一个激子和每一个孤立电子都必须“坐”在一张桌子上，而“内向型”的独行电子既不会彼此共享桌子，也不会与激子共坐。 然而，激子通常并不满足于待在最初的“座位”上，它们往往会四处移动。但它们并不是大摇大摆地穿过整个房间，而是悄然地从一张相邻的空桌“跳”到下一张空桌——有时还会因为绕开一片已被占据的桌子而走上一条并不高效的迂回路线。 在实验过程中，研究人员可以在这种“座位安排”中容纳数万亿个粒子，并精确控制能够在房间中自由移动的激子和电子的数量。为了增加或减少电子，研究人员施加不同的电压，使电子被迫进入或离开材料；而要增加激子，则从材料本身“召唤”它们——研究人员向材料照射特定波长的激光，材料中的原子吸收光能后，电子被击出原子，从而形成激子。 图像上半部分展示了一种层状材料的结构，它能够容纳自由移动的电子（黑色球体）以及由一个空穴（白色球体）与特定电子（青色球体）配对形成的激子。图像下半部分显示了该材料为电子和激子创造的量子势景，其中包含许多它们倾向于驻留的特定位置。激子可以移动到附近的空位，但无法进入已被电子占据的位置。 *图片来源：Mahmoud Jalali Mehrabad / JQI* --- ### 追踪激子并分析其运动 研究人员能够追踪他们所产生的激子最终“停留”在何处——方法是观察它们最终消亡的信号。当激子中的电子与空穴重新结合时，其所携带的多余能量必须释放出来，通常以光的形式发射。研究人员收集这些光信号，并将其作为激子最终位置的标记。由此，即便无法直接观察单个激子的完整运动轨迹，他们也能确定每一簇激子在材料中扩散的程度。 “基本上任何比例都可以实现，”Suárez-Forero 说，“我们可以让体系中只有玻色子、只有费米子，或两者任意比例共存。而扩散性——也就是玻色子的运动方式——会随着不同粒子种类数量的变化而发生显著改变。” 在实验中，研究人员系统性地调节电子密度，并从玻色子扩散行为的变化中推断相关信息。他们将激子的运动视为其与电子及彼此之间相互作用的指示器，使每一群激子都成为一个实验“传感器”。 当电子数量极少时，研究人员预期电子彼此几乎不会相遇，因此对彼此或对激子的影响都很小。相反，当电子数量充足时，人们通常认为电子会彼此回避，并阻碍激子的运动。 起初，实验结果确实符合预期：随着电子数量逐渐增加，激子的传播距离越来越短。激子不得不绕过越来越多的电子，选择一条曲折的路径，而不是几乎笔直地前进。 最终，实验进入了这样一个阶段：几乎每一张“桌子”都被电子占据。研究人员原本预计，这将基本上阻断激子的扩散；然而，他们却观察到激子迁移率突然跃升。尽管激子的路径理应被完全阻挡，其运动距离却反而显著增加。 “几乎没有人愿意相信这个结果，”JQI 研究生、论文第一作者 **Pranshoo Upadhyay** 说，“大家都在问：能再重复一次吗？于是，在接下来的一个月里，我们在样品的不同位置、使用不同的激发功率进行了反复测量，并在其他几种样品中成功复现了这一现象。” 在 Suárez-Forero 结束其在 JQI 的博士后工作、并在日内瓦大学担任研究科学家期间，团队甚至在另一间实验室中重复了该实验。 “我们在不同的样品、不同的实验装置，甚至在不同的大洲重复了实验，结果完全一致，”Suárez-Forero 说道。 研究人员还必须确认自己并未误读实验结果。毕竟，他们只观测到了激子的扩散行为，而并未直接看到粒子间的相互作用；对结果的解释依赖于数学理论，因此必须确保理论推导中不存在隐藏的错误。 --- ### 解开谜团及未来影响 为了解释这一现象，研究团队建立了紧密的理论与实验合作。 “我们花了好几个月的时间与理论学家反复讨论、尝试不同的模型，但没有一个能够完整解释所有实验观测，”Upadhyay 说，“最终我们意识到，在我们的体系中，激子的‘占位方式’与自由电子和空穴不同。这是一个转折点——我们开始跳出‘单配关系’的框架来思考激子。” 研究团队最终认为，在极度拥挤的条件下，激子放弃了“单配”关系，因此将这一现象描述为“**非单配空穴扩散**”。本质上，这一出人意料的结果出现在研究人员向材料——也就是那个比喻中的餐厅——注入大量电子、使每个电子都独占一张桌子时。 研究人员发现，当可用电子的数量分布变得足够失衡时，激子中的空穴会将所有其他电子视为与原本配对的电子“等价”，从而使激子单配的常规规则失效。 这种快速扩散源于空穴突然“抛弃”了原本长期配对的电子伙伴。空穴不再与同一个电子一起逐桌移动，而是像进行一轮“快速相亲”那样，接连与不同电子配对——这使得每一个激子都能直奔目的地。由于不再需要绕开大量孤立电子所形成的曲折路径，每个激子在发出其标志性的“消亡闪光”之前，能够传播得更远。 触发这种“失衡的配对池”和快速迁移行为所需的，仅仅是调节电压。而电压控制对于现有器件来说并非难题，因此这一技术有望方便地整合进未来的实验和利用激子的技术中，例如某些太阳能电池的设计。 研究人员已经开始利用这一关于激子与电子相互作用的新认识，来解释其他实验结果。同时，他们也在努力将对这些材料的新理解应用于实验中，以实现对量子相互作用更高水平的调控。 “在材料中实现对粒子迁移率的控制，是未来技术的基础，”Suárez-Forero 表示，“理解这种激子迁移率的显著提升，为开发性能更强的新型电子与光学器件提供了宝贵机遇。” More information: Pranshoo Upadhyay et al, Giant enhancement of exciton diffusion near an electronic Mott insulator, Science (2026). DOI: 10.1126/science.ads5266. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2409.18357 |
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