文章导读
激子绝缘体真的是由电子空穴对凝聚形成的吗？南京大学奚啸翔课题组的最新研究给出了颠覆性的答案。通过独创的电荷掺杂实验策略，团队发现典型候选材料Ta2NiSe5的相变主要受电声耦合驱动，而非长期争议的激子凝聚主导。这项突破性工作不仅解决了该领域持续多年的机理争议，更为激子绝缘体的实验鉴别提供了一套通用可靠的检测方法。想知道他们如何通过双栅极器件揭开量子相变的真相？这篇发表在Nature Communications的研究将带你直击最前沿的物理发现。
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近日，南京大学物理学院奚啸翔课题组在原子薄层激子绝缘体研究方面取得新进展。团队提出了一种基于电荷掺杂评估激子效应的通用实验策略，并以典型激子绝缘体候选材料 Ta2NiSe5为对象开展掺杂依赖的拉曼光谱研究，获得了该体系相变主要由电声耦合驱动、而非激子凝聚主导的重要证据。
激子绝缘体是窄带隙半导体或半金属中电子与空穴结合形成激子并发生自发凝聚而产生的宏观量子态，是研究电子驱动相变及潜在量子相干性的理想平台。尽管在电子-空穴分离的人工双层体系中，激子凝聚相关研究已取得重要进展，但在单一晶体体系中实现激子凝聚仍面临挑战：一方面电声耦合与激子效应可能同时存在，使得相变主导机制难以判定；另一方面缺乏明确、可检验的实验指纹，使得激子凝聚的实验判据长期存在争议。针对上述难题，团队提出利用电荷掺杂引入的库仑屏蔽变化来检验激子效应，从而评估激子相关作用在相变中的贡献，这一思路可推广到更多激子绝缘体候选材料的研究中。
团队首先利用Ta2NiSe5拉曼光谱中的准弹性散射特征对不同厚度样品的相变进行表征，发现相变可延续至单层极限，且相变温度随层数降低而升高（图1a–c）。团队进一步制备了双层样品的双栅极场效应器件，实现了连续且可逆的电子与空穴掺杂调控。研究发现，在固定温度下，先前被解释为来源于激子涨落的准弹性散射在整个掺杂范围内呈单调变化（图1d）。更为关键的是，相变温度随电子掺杂降低，而随空穴掺杂升高（图1e–f）。上述结果与增强库仑屏蔽抑制激子效应的预期不符，排除了激子凝聚在相变中的主导作用，而指向由电声耦合驱动的结构相变图像。该工作为理解Ta2NiSe5中长期备受关注的相变机理争议提供了新的实验视角与判据。
图1.（a）Ta2NiSe5晶体结构与晶格畸变示意图。（b, c）块体与双层样品的温度依赖拉曼响应。（d）双层器件中准弹性散射谱权重的温度与掺杂浓度依赖。（e）典型掺杂下的准弹性散射谱权重温度依赖。（f）相变温度与涨落展宽的掺杂依赖。
相关成果以“Gate tuning of coupled electronic and structural phase transition in atomically thin Ta2NiSe5”为题发表于 Nature Communications。南京大学物理学院博士生魏轲聿为论文的第一作者，奚啸翔教授、上海科技大学郭艳峰教授为论文通讯作者，日本国立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe研究员提供了氮化硼晶体。该工作得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金的资助，以及南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省物理科学研究中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66594-y
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这个实验思路很巧妙，用掺杂来检验激子效应！