Nature：研究团队利用“激子”将电子学带入新时代

这幅连环画可以帮助我们更好地理解什么是激子
来源：©欧洲Scipt：Sarah Perrin；插图：Xurxo- Adrian Entenza

      激子可以彻底改变工程师处理电子产品的方式。来自EPFL（洛桑联邦理工学院）的研究小组已经使用激子而不是电子创造出一种新型晶体管（电路的组成部分之一）。值得注意的是，室温下他们基于激子的晶体管功能，是迄今为止都无法克服的障碍。研究人员利用两种二维材料作为半导体来实现这一目标。其研究结果发表在杂志《Nature》上。该研究在激子领域有着很重要的意义，同时这也是一个很有前途的新领域，可以与光子和自旋电子学并驾齐驱。

      EPFL纳米电子与结构实验室（LANES）负责人Andras Kis说道：“我们的研究表明：通过操纵激子，我们开始采用全新的电子方法。我们现在正目睹一个全新研究领域的出现，然而我们还不知道其全部范围。”

      这一突破为光电子器件的发展奠定了基础。这些器件耗能更低，并且比现有器件运行速度更快。此外，可以将光传输和电子数据处理系统集成到同一设备中，这将减少所需的操作步骤并使系统运行更为高效。

能量水平更高

      激子实际上是准粒子，这个术语用于描述给定构成结构的粒子而不是物质本身之间的相互作用。激子由电子和电子空穴组成。当电子吸收光子并达到更高的能量水平时，两者结合在一起；“激发的”电子留下了先前能级的一个空洞，在带理论中，它被称为价带。这个孔也是一个准粒子，表明该带中所缺失的电子。

      由于电子带负电并且空穴带正电，因此两个粒子通过静电力保持结合。电子和空穴之间的这种结合称为库仑力。正是在这种紧张和平衡的状态下，它们形成了激子。当电子最终落回到孔中时，它会发射出一个光子。由此，激子消失。更简单地说，一个光子进入电路的一端并从另一端出来；而在内部，它产生一个像粒子一样的激子。

一石二鸟

      直到最近，研究人员才开始在电子电路的知识背景下研究激子的性质。激子中的能量一直被认为太低，且寿命太短，不能在这个领域产生任何真正的研究兴趣。此外，激子只能在极低温度（约-173摄氏度）下的电路中生成和控制。

      EPFL的研究人员取得新突破，他们发现他们可以对激子的寿命以及移动激子进行控制。研究人员通过使用两种二维材料来做到这一点：二硒化钨（WSe2）和二硫化钼（MoS2）。“这些材料中的激子表现出特别强的静电键，更为重要的是，它们在室温下不会很快被破坏掉，”Kis解释道。

      研究人员还能通过利用电子找到通向MoS2的事实来显著延长激子的寿命，同时孔总是在WSe2中结束。研究人员通过用氮化硼（BN）来保护半导体层，使激子可以保持更长时间。