激子是由庫(kù)侖相互作用束縛的電子-空穴對(duì)組成的準(zhǔn)粒子，在絕緣體和半導(dǎo)體中都很常見(jiàn)。激子絕緣相首先是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者M(jìn)ott教授早在上世紀(jì)60年代理論上提出并預(yù)言，當(dāng)激子結(jié)合能（Eb）大于本征半導(dǎo)體的帶隙（Eg）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)激子絕緣相。隨后，一些實(shí)驗(yàn)組在半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)了異常的帶隙打開(kāi)現(xiàn)象，作為激子絕緣相存在的證據(jù)。在2017年，北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面研究了InAs/GaSb量子阱中的拓?fù)浼ぷ咏^緣相，其特征是帶隙打開(kāi)和光譜中獨(dú)特的雙峰結(jié)構(gòu)，這成為了拓?fù)浼ぷ咏^緣相的有力證據(jù)。然而，由于Eb> Eg的限制，激子絕緣相通常僅出現(xiàn)在窄帶隙半導(dǎo)體或半金屬中。

圖1.拓?fù)浼ぷ咏^緣相的計(jì)算和類似于超導(dǎo)的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)

二維材料中顯著的激子效應(yīng)和非常大的激子結(jié)合能為激子絕緣體的研究帶來(lái)了新的希望。單層WSe2因其位于Γ點(diǎn)處平的價(jià)帶和較大的間接能隙，顯示出獨(dú)特的激子特性。間接能隙的存在會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量間接激子的形成，與直接激子相比，其激子壽命更長(zhǎng)。間接激子可以表現(xiàn)出激子玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BECs）和激子超流。間接能隙和Γ點(diǎn)附近的平帶，使1T'-WSe2單層成為激子BEC和相關(guān)多體效應(yīng)的絕佳平臺(tái)。

近日，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與浙江大學(xué)合作通過(guò)理論計(jì)算在1T'-WSe2單層中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浼ぷ咏^緣相的存在。研究團(tuán)隊(duì)基于第一性原理計(jì)算結(jié)合Bethe-Salpeter方程（BSE）揭示了拓?fù)浼ぷ咏^緣相的存在，激子能帶顯示出激子能量的最小值向有限動(dòng)量處移動(dòng)，形成一個(gè)類Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)，這導(dǎo)致了激子密度波的形成。最后，通過(guò)Gross-Pitaevskii方程的求解，進(jìn)一步驗(yàn)證了由于X2激子的兩個(gè)分支之間的干涉，在BEC區(qū)域出現(xiàn)了具有條紋狀的激子密度波。該研究的發(fā)現(xiàn)為激子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、非平凡拓?fù)?，甚至二維材料中的激子超流提供了新的研究方向。

圖2. 非零速度的條紋相的拓?fù)浼ぷ用芏炔?/p>

相關(guān)的成果以 “Topological Exciton Density Wave in Monolayer WSe2”為題發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》（物理評(píng)論快報(bào)） [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]上。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所特別研究助理董珊博士和臺(tái)州學(xué)院講師陳穎達(dá)博士為共同第一作者，婁文凱研究員、常凱院士為共同通訊作者。北京理工大學(xué)曲宏偉博士也為該工作做出了重要的貢獻(xiàn)。

該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金站前特別資助等的支持。