清华大学Nat Commun：低温光学系统赋能超快成像，成功实现激子输运多能级调控
发布日期：2026-03-09
近日，清华大学雒建斌 院士领衔的刘欢、刘大猛等研究人员在二维半导体材料研究领域取得重大突破。相关研究以《Imaging multilevel exciton transport enabled by correlated electronic states》为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。团队成功实现了对激子输运的多能级动态调控，为未来高性能逻辑运算、光子互连和光学调制技术的发展奠定了重要基础。Montana Instruments 低温光学系统凭借极致的性能表现，成为这项重大突破的关键技术支撑，其超低振动、优异的精准控温能力等优势，为超快光学成像技术的落地提供了不可或缺的硬件保障。
激子，即由电子和空穴通过静电相互作用形成的束缚对，被认为是二维半导体材料中传输能量和信息的理想“信使”。实现激子输运的精准控制，是开发下一代低功耗、超快光电器件和集成激子电路的关键。然而，传统的调控手段，如电场、应变或介电环境，大多依赖固定参数，难以实现灵活的动态多级调节。
在这项研究中，科研团队创新性地开发了一种可变温度的超快光学成像技术。团队将飞秒瞬态吸收显微镜与单层二硒化钨激子传感器相结合，并巧妙地将其放置在具有约9.2纳米莫尔超晶格的扭曲二硫化钨双层附近，打造出可变温度的超快光学成像技术。这一设计使得传感器能够以200飞秒的时间分辨率和50纳米的空间分辨率，实时“感知”并成像邻近材料中电子态的变化。
器件结构与测量方案
研究团队在本研究中的核心发现是，通过精确调控扭曲二硫化钨双层中的载流子浓度，可以驱动其从金属态转变为一种被称为“广义维格纳晶体”的关联电子绝缘态。当形成这种特殊的电子晶格时（如在填充因子 v = 1/3、1/2 和 2/3 处），材料的介电常数急剧下降，导致其周围环境的介电无序度增加。这种变化被紧邻的二硒化钨传感器敏锐地捕捉到，并显著抑制了其中激子的输运过程：激子的扩散系数和寿命同时降低，导致其扩散长度大幅缩短。实验数据显示，在分数填充态下，激子输运的抑制程度呈现阶梯式变化，且v = 1/3 和 2/3 态的临界温度（约40K）高于 v = 1/2 态（约20K），对应了不同晶格相的稳定性。
Wigner晶体的激子输运传感成像
本研究开创了动态调控激子的新模式，证明了利用材料内在的关联电子态（如维格纳晶体）可以作为一种动态、多能级的调控“旋钮”，实现对激子输运的精准控制，突破了传统固定参数的限制。
本研究的另一重要意义是科研团队开发了强大的探测手段，基于Montana低温恒温器的超快光学成像技术，能够以极高的时空分辨率，无损地探测二维材料中脆弱的关联电子态及其动力学过程，为研究玻色-费米混合体系中的光-物质相互作用开辟了新途径。主要得益于Montana低温光学系统的超低振动和优异的控温特性，超快成像系统的分辨率和稳定性得到了根本保证，在本项研究中位科研人员提供了强有力的技术支持。
综上所述，这项研究不仅深刻揭示了关联电子态调控激子动力学的内在机理，也为未来基于激子输运的高性能光电器件设计提供了全新的思路和可靠的技术路径。
Montana Instruments低温光学系统持续为低温光学贡献力量
Montana Instruments的产品设计围绕稳定性、兼容性、自动化三大核心展开，技术实力经全球近2000台装机验证，在中国市场保有量接近200台，用户遍布数十所高校和科研院所，成为国内低温光学研究的主流选择。
Montana Instruments低温光学系统
设备的桌面化设计使其可直接固定于光学平台，可与用户共聚焦显微镜、拉曼光谱仪等设备无缝衔接，将传统需数月搭建的低温实验缩短至数小时完成。Montana每次总能以别出心裁的设计给用户带来柳暗花明的实验方案。此外，Quantum Design中国子公司可以为国内客户提供多种低温光谱测量的整体解决方案，让 Montana 低温光学系统的技术优势与本地化服务相结合，为国内科研人员的前沿探索提供全方位、一站式的技术支持。
模块化架构使CryoAdvance系列具有既可以作为通用系统又可以升级为专用平台的灵活性：
集成CRYO-OPTIC®物镜系统，实现低温下NA~0.9的高分辨率成像与光谱测量。
搭载Magneto-Optic模块可进行0.7 T磁场内的低温磁场光学显微测量。
快速变温选件（最快30秒内稳定至目标温度）将助力相变动力学等时间敏感型研究。
OneK-Optic®模块可在已有的CryoAdvance 100系统上升级，实现一键1.2K极低温光谱测量。
超精细无液氦低温光学系统经过多年的发展，目前全新型号有CryoAdvance 50、CryoAdvance 100、Cryostation® s200、Cryostation® s200PT供用户选择，并提供丰富的配套选件供选择，可满足用户的各种低温实验。
参考文献：
[1]. Liu, H., Chen, S., Xu, H.et al. Imaging multilevel exciton transport enabled by correlated electronic states. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68868-5
