文章导读
全球物理学家为无法直接观测的“暗激子”困扰了几十年——那些被光学禁阻的“幽灵态”只能靠间接推论猜测。但武汉大学团队这次用一台看似常规的角分辨光电子能谱仪，直接让准稳态暗激子现了原形：结合能高达0.5eV，还同步诱发了导带能隙的微妙开口。这个发现不仅解开了关联电子态与激子互动的底层谜题，更可能让量子信息与光电器件的效率天花板被彻底掀翻。不过，这项突破的关键操作藏在实验条件的一个细微选择里——你敢赌自己读完后能第一个意识到它如何改变下一个十年？
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（通讯员高妍）近日，国际物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表武汉大学高等研究院教授徐楠课题组联合中国科学院物理研究所研究员孟胜团队的最新研究成果。该研究聚焦半导体中准稳态暗激子的探测与调制关键科学问题，为激子物理及关联量子体系研究提供了全新实验思路。
论文题为《掺杂半导体中准稳态暗激子及能隙态》（“Observation of Quasisteady Dark Excitons and Gapped State in a Doped Semiconductor”）。武汉大学高等研究院博士研究生莫尚昆为论文第一作者，徐楠与孟胜担任共同通讯作者，武汉大学为第一署名单位。武汉大学物理科学与技术学院丰敏、曹利民课题组提供了高质量硒化锡（SnSe₂）单晶样品。
激子是半导体中电子与空穴通过库仑相互作用形成的束缚态，是解析半导体光电性能、探究关联电子态的核心之一。相较于可通过常规光学手段直接探测的亮激子，暗激子因动量或自旋禁阻导致光学跃迁被抑制，难以被传统方法观测。其在准平衡态下的存在形式及对电子结构的调制作用，长期以来是凝聚态物理领域亟待攻克的难题。破解这一基础科学问题，对推动半导体光电器件发展、深化关联量子物态研究具有重要的科学意义与应用价值。
电子掺杂SnSe2中的稳态暗激子的产生与探测
针对这一研究瓶颈，研究团队创新研究思路，依托常规角分辨光电子能谱技术（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES），在电子掺杂半导体SnSe₂体系中，成功实现了准稳态暗激子的产生、表征与电子结构调控。实验结果表明，在准平衡态条件下，光生空穴与掺杂电子可结合形成长寿命暗激子，其结合能约为0.5电子伏特（eV），且在能隙区域诱发价带复制的特征谱重，为暗激子的存在提供了直接实验依据。
研究进一步揭示，伴随暗激子的形成，材料导带在费米能级附近逐渐打开各向异性能隙。通过精准调控掺杂浓度与温度，暗激子特征与能隙演化呈现出高度同步的关联行为，明晰了二者之间的内在物理联系。
此项研究实现了准平衡态下暗激子的直接观测，揭示了暗激子与关联电子态的相互作用机制，搭建了宽禁带半导体中激子物态调控与关联电子相探索的新型实验平台。团队所采用的准平衡态研究方法，拓展了暗激子研究的实验技术手段，有望推动激子物理学基础研究持续深化，并开拓其在量子信息、高性能光电器件等领域的应用潜力。
据悉，该研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国博士后科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/x1bq-wgb3
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