上海交大李政道研究所蒋庆东团队提出相干激子二极管效应为辨别激子凝聚提供新途径

上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院蒋庆东教授与其指导的2023级博士生辉隽骁，在理论上提出“相干激子二极管效应”。该效应表现为激子超流在相反方向具有不同的临界电流，为辨别激子是否建立宏观相位相干提供了新的电输运方案。相关成果《电子—空穴双层中的非互易完美库仑拖曳：相干激子超流二极管效应》于2026年9月22日发表于《物理评论快报》，并入选 Featured in Physics（亮点文章）和 Editors’ Suggestion（编辑推荐）；美国物理学会《Physics》杂志以“How to Tell If Your Excitons Have Condensed”为题对该成果进行报道。

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“A newly predicted effect should provide a clean way to distinguish between a Bose-Einstein condensate of quasiparticles called excitons and a more mundane collection of these particles.（论文提出的新效应能够为区分激子的玻色-爱因斯坦凝聚和相比之下未形成相位相干的激子绝缘体态提供清晰的方法。）”

——Physics网站成果解读

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从电子与空穴配对到相位相干

激子是电子与空穴（可理解为电子缺失留下的、表现为正电荷的“空位”）在库仑吸引下形成的电中性复合粒子。在特定的半导体和半金属材料中，电子和空穴可以自发配对形成平衡态的激子体系，而该领域中的一个长期难题，是区分已经形成配对、却缺乏宏观相位相干的激子绝缘体，与能够支持无耗散集体流动的相干激子凝聚体。判断的关键，在于大量激子之间是否建立了稳定的相位关系，可直观类比为量子波保持协调的“步调”。

电子—空穴双层体系为研究这一问题提供了可调控的平台：电子与空穴分处相邻的二维材料层，中间由绝缘层隔开。空间分离抑制了两层之间的单粒子隧穿和电子—空穴复合，使凝聚相位能够保有独立的动力学。同时，两层可以分别连接电极，并通过栅极独立调节载流子密度，便于产生和探测激子输运。

尽管激子整体不带电，组成它的电子与空穴同向运动时，会在两层产生大小相等、方向相反的电流，这就是层间对流。在电流拖曳实验中，研究者可以向一层通入电流，并测量另一层的响应；当两层电流达到这种一比一的反向关系时，便出现“完美库仑拖曳”效应。

然而，完美拖曳本身还不能确认激子超流。2025年发表于《Science》的两项双层实验观察到了近乎完美的库仑拖曳，而对流电阻仍然有限。这说明强烈的电子—空穴配对可以先于无耗散超流出现，也促使研究者寻找直接关联相位相干性的输运信号。（Science 388, 274–278；278–283 (2025)）

相干超流在两个方向具有不同的临界电流

这项研究借鉴了超导二极管效应的思路。两层强度不同的 Rashba 自旋—轨道耦合将载流子的自旋与动量联系起来，与磁场共同作用，使能带在相反方向上不再等价。当空间反演和时间反演对称性同时破缺时，体系可形成具有有限质心动量的激子凝聚态，其相位在空间中呈规律性变化。自旋—轨道耦合在这里提供所需的能带不对称性，电子—空穴配对仍由库仑吸引产生。研究者从微观模型推导出描述凝聚态的金兹堡—朗道自由能，并由此计算相反方向的超流临界电流。

临界电流是凝聚体在给定方向上能够维持相干超流的最大电流。理论计算预言，在合适的参数范围内，两个方向的临界电流大小不同。实验上，可逐渐增大正向和反向的驱动电流，比较近乎完美拖曳平台（两层电流大小几乎相等、方向相反的电流区间）何时终止：在一个方向，相干对流能维持到更大的电流；反向则更早失稳。这种方向依赖的超流临界电流，被称为“相干激子二极管效应”。

图3 相干激子二极管效应的卡通示意。电子与空穴如同牵手同行的伙伴。图中“轻松”和“费力”表示两个方向能维持相干超流的最大电流不同；在各自临界电流以下，两个方向均可支持无耗散对流。

超流临界电流反映了凝聚体维持相干流动的能力，并与相位刚度有关；后者刻画改变凝聚相位空间分布所需付出的能量代价。因此，测量平台两端不同的超流临界电流，有望区分仅有配对的非相干激子态与具有相位相干的凝聚体。普通双层中的摩擦拖曳也可能出现方向不对称，但其来源是层间动量传递，并不对应这里相干超流的临界边界。

图4 非互易完美库仑拖曳的测量信号。平台的左右边界到零电流的距离不同，表示两个方向的临界电流绝对值不等；越过相应边界后，体系进入耗散输运区域。图中以平台高度示意拖曳强度；若两层电流按同一空间方向取正，理想完美拖曳的电流比为 −1。

面向实验探测与调控

在论文采用的典型参数下，微米宽器件的正反向临界电流差可达十微安量级，有望通过现有电流测量技术分辨。具有合适 Rashba 自旋—轨道耦合的二维半导体异质结构是候选平台，例如上下表面原子组成不同的 Janus 过渡金属硫族化合物。

若将工作电流的大小设在两个方向的临界值之间，同一器件便有望在一个方向维持相干完美拖曳，在另一个方向进入耗散状态。结合栅压和磁场调控，这一机制为设计具有方向选择性的开关与激子电路元件提供了理论依据。

本文的第一作者是李政道研究所2023级博士生辉隽骁，通讯作者是李政道研究所和物理与天文学院蒋庆东教授。本研究得到国家自然科学基金、合肥国家实验室、量子科技创新计划、上海量子科学研究中心培育项目及上海市科技创新行动计划的支持。

作者： 李政道研究所 供稿单位： 李政道研究所