王枫团队Science！突破性强磁场低温光学技术，助力激子绝缘体中的完美库仑拖拽与激子输运研究
发布日期：2025-05-09
王枫团队作为超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool的早期用户，已在OptiCool上取得了众多重要成果，近年来已经有数篇学术论文发表在Science、Nature系列知名期刊上。近期，该团队再次凭借 OptiCool 平台，利用创新的光学测量技术，在低温下观测到了完美的库仑拖拽，相关研究成果登上Science期刊，这一成果再次彰显了 OptiCool 在推动前沿科研中的关键作用。
图1. 超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
背景介绍
激子绝缘体是一种由强关联电子-空穴对（激子）组成的量子态，其特性介于绝缘体与超流体之间。理论预测，在二维电子-空穴双层系统中，当层间距离远小于层内粒子间距时，电子和空穴可通过库仑相互作用形成间接激子，并在低温下呈现超流体或玻色-爱因斯坦凝聚态。然而，这类量子态的观测长期受限于传统电学测量的技术瓶颈，例如过渡金属硫族化合物（TMD）材料的高接触电阻和低掺杂下的载流子屏蔽效应。
近期，加州大学伯克利分校王枫/Andrew Y. Joe团队在《科学》杂志发表题为“Perfect Coulomb drag and exciton transport in an excitonic insulator”的研究结果，通过创新的光学测量技术，突破性的在无外加磁场的MoSe₂/hBN/WSe₂异质结构中观测到完美库仑拖拽效应，并揭示了激子绝缘体相中独特的输运行为。这一发现不仅深化了对强关联激子体系的理解，还为未来开发基于激子的低能耗电子器件提供了新思路。
实验设计与材料制备
研究团队构建了由单层MoSe₂（电子层）和单层WSe₂（空穴层）组成的异质结构，中间以3 nm厚的六方氮化硼（hBN）作为隧穿势垒（图2A）。通过双门控设计（顶部石墨烯栅极和底部双栅极），精确调控电子和空穴的密度（图2C-D）。
图2. 相关联的电子空穴双层器件
创新的测量方法
用户在OptiCool系统中采用光学反射光谱测量结合电容驱动方法创造性的对激子绝缘体相中独特输运行为进行了高精度的测量。
反射光谱技术：利用反射光强度对载流子密度的敏感性（图2F），通过单色激光探测局部电子或空穴密度的振荡变化，间接测量电荷与激子的输运行为，避免了传统电学接触的高阻抗问题。
电容驱动法：在底部栅极施加交流电压调制（频率范围82 Hz–41 kHz），通过电容耦合驱动电荷和激子在两个区域间振荡，结合锁相放大器检测反射光的交流分量，定量分析激子迁移率与电阻（图3D）。
核心发现
本研究中，研究者在低温下观测到了完美的库仑拖拽。在低温和电子-空穴密度平衡条件下，驱动层（空穴层）的电流会引发拖拽层（电子层）产生完全反向且等量的电流。这一现象仅在激子绝缘体相中显著，表明激子主导了输运过程。
尽管理论预测激子超流体会在低温下出现，但实验并未观察到激子超流体。研究人员推测，样品中的无序性或量子涨落可能抑制了超流相变。此外本文中研究人员还研究了掺杂对库仑拖拽效率的影响，未配对电荷（电子或空穴）的输运逐渐主导（图3E-G），表明激子与自由载流子的竞争行为。
图3. 激子与电荷的输运测量
科学意义与未来展望
本研究开发的光学测量方法为低维强关联体系的研究提供了新工具，尤其适用于难以制备电学接触的高质量TMD异质结构。该光学技术可扩展至其他量子材料体系，为探索关联电子态开辟新路径。完美库仑拖拽效应可用于设计高效能量转换器件，例如激子晶体管或量子信息处理器。研究团队指出，未来通过优化样品质量（如降低缺陷密度）或探索其他二维材料组合（如扭曲双层结构），有望实现更高温度的激子超流体态。此外，这项研究不仅揭示了二维激子绝缘体的独特输运行为，更展示了光学手段在量子材料研究中的强大潜力，为下一代电子器件的开发奠定了重要基础。
相关设备
本研究中创新的反射光谱相关测量方法，是在Quantum Design公司生产的超精准全开放强磁场低温光学研究平台——OptiCool上完成的，也是用户王枫团队利用Opticool平台发表数篇Science、Nature后的又一重磅成果。
图4. OptiCool® Vector，4-1-1矢量场系统
Quantum Design公司具有超过40年的前沿低温设备生产经验，所生产的低温强磁场设备遍布全球多个实验室。公司最新研发的超精准全开放强磁场低温光学系统—OptiCool具有创新的设计方案。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场或者4-1-1矢量磁场。多个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔。底部窗口选件可满足光路平行于磁场的透射方案。高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。该平台一经发布就受到全球科学家的广泛关注，目前我们已经为用户提供的整体解决方案有：
☛ 共聚焦拉曼/荧光扫描成像系统
☛ 磁光克尔/磁圆二色测试系统
☛ 荧光寿命扫描成像系统（FLIM）
☛ 偏振分辨的二次谐波扫描成像系统
☛ 紫外/可见/近红外光谱共聚焦扫描成像系统
☛ 多功能光电流扫描成像系统
☛ 三阶光学非线性的Z扫描系统
☛ 白光/荧光角分辨系统
