科学家在强相关绝缘体中观测到哈伯德激子

​艺术家构想的哈伯德激子。来源：《自然-物理学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41567-023-02187-0

由美国加州理工学院谢大卫博士领导的科学家小组在一种光掺杂反铁磁莫特绝缘体中观察到了稳定的哈伯德激子。他们的研究结果发表在《自然-物理》（Nature Physics）上。

在凝聚态物理学的世界里，有一种令人兴奋的现象--激子，一直以来都是人们感兴趣的话题。

激子是一种复合粒子（或称准粒子），通常存在于半导体材料中，当电子和空穴（没有电子）通过静电力相互作用时就会产生激子。

激子类似于氢原子中的质子和电子，它们的存在稍纵即逝，并且已经得到了深入研究。然而，当我们进入莫特绝缘体领域时，它们的行为却发生了变化，这种材料违背了普通半导体中电子行为的传统规则。

长期以来，人们一直推测在莫特绝缘体中可能会出现哈伯德激子这种新型准粒子。但它们能否作为稳定的准粒子实际存在于真实材料中，一直是个悬而未决的问题。现在，科学家们获得的实验数据表明答案是肯定的。

谢博士在解释他的团队研究这些系统的动机时告诉物理网："我们的研究小组通常对具有强相互作用电子的材料感兴趣，特别是在远离平衡的环境中。

莫特绝缘体、电荷和反铁磁性
莫特绝缘体的内在特性是哈伯德激子不同于半导体中传统激子的原因。

莫特绝缘体与半导体不同，半导体中的电子是非局域化的，而莫特绝缘体则由于强烈的库仑相互作用迫使电子进入特定的晶格位点。这种局部化形成了独特的带隙，与电子移动更自由的传统半导体形成鲜明对比。

谢博士解释说："在这种状态下，有利于电子自旋以交替的方向从一个位置排列到另一个位置，从而形成一种被称为反铁磁秩序的模式。

"这种反铁磁环境为实现哈伯德激子创造了可能性"。

反铁磁相互作用本质上是一种磁相互作用，在这种相互作用中，相邻的电子自旋以相反的方向排列，从而在材料内部形成一种独特的磁秩序。

与半导体中的常规激子相比，理解和探测哈伯德激子更具挑战性。这是因为电子相互作用、材料的反铁磁性秩序以及这些激子的短寿命性质之间存在着复杂的相互作用。

谢博士解释说："在实验中，使用传统的光谱技术很难探测到这些激子，而传统的光谱技术是用于探测普通半导体激子的。这就是我们采用频闪技术实时捕捉激子形成的原因。

寻找指纹
在前研究生 Omar Mehio 的领导下，研究小组的实验装置取决于对莫特绝缘体材料和光谱技术的选择。

选择正确的材料至关重要，研究小组选择了 Sr2IrO4，这是一种反铁磁性莫特绝缘体，以其错综复杂的电子相互作用而闻名。

在光谱测量方面，研究小组选择了太赫兹辐射，这种低频波非常适合探测激子的内部结构。

研究小组首先使用红外激光脉冲激发带隙中的电荷载流子。然后，他们利用太赫兹光谱仪实时捕捉 Sr2IrO4 的瞬态响应，以探测哈伯德激子的光谱或独特指纹。

起初，这种材料通常表现为绝缘体，但由于自由电子和空穴的产生，它如预期般过渡到了类似导体的状态。

但这种材料并没有简单地恢复到原来的绝缘状态，而是迅速过渡到另一种绝缘状态，其光谱与原子的光谱更为相似。然而，与氢的光谱不同的是，其能级间距只有几个毫电子伏特，这也是哈伯德激元流体的预期。

这些发现得到了约瑟夫-斯特凡研究所的 Zala Lenarcic 博士所做的先进计算机模拟的支持，为 Sr2IrO4 中存在哈伯激元流体提供了令人信服的证据。

然而，这项实验并非没有挑战。谢博士特别强调了其中的一些挑战，他说："我们面临着几个障碍，包括生长大型高质量晶体以适应太赫兹光束（由加州大学圣巴巴拉分校的斯蒂芬-威尔逊博士提供），以及调整反射几何形状以克服材料吸收的影响。

"此外，来自哈伯德激子的信号非常微弱。因此，我们必须抑制测量中的噪声源，比如实验室的温度波动"。

下一步是什么？
谢博士和他的团队所展示的强相关绝缘体中哈伯德激子的特性，为基础理解和实际应用开辟了一个令人兴奋的可能性领域。

"谢博士说："很难预测潜在的技术应用，"他说："我们可以想象，在一种材料中，激子特性可以通过磁自由度进行调整，或者激子特性（用于光学应用）和磁特性（用于信息存储应用）可以同时被利用，从而实现新的功能。

未来的研究可以深入探讨有关哈伯德激子的基本问题，例如它们的结合机制以及与不同磁态的相互作用。

谢博士和他的团队对哈伯德激子的研究还没有结束。在谈到下一步计划时，他说："关于哈伯德激子，还有许多具有根本重要性的问题有待我们去解决。我们最关心的问题包括以下几个。我们能否证明哈伯德激子确实主要受到反铁磁相互作用的束缚？哈伯德激子的性质如何随着底层磁态的质地而变化？哈伯德激子之间的相互作用性质如何，可能产生哪些新的集合激子相？

释放哈伯德激元全部潜能的旅程才刚刚开始，它可能有望重塑我们对量子现象的理解。

埃多尔多-巴尔迪尼（Edoardo Baldini）在同一期杂志上发表了一篇关于谢氏团队工作的 "新闻与观点"（News & Views）文章。

参考资料

Omar Mehio et al, A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02204-2

Edoardo Baldini, Charges tied with magnetic strings, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02187-0

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