激子 （e） 和它的空穴 （h） 相互环绕的艺术家渲染图。图片来源：俄克拉荷马大学的 Daniel Deering

俄克拉荷马大学凝聚态物理学教授 Bruno Uchoa 和凝聚态物理学博士后 Hong-yi Xie 在《美国国家科学院院刊》杂志上发表了一项研究，预测了一种新型激子的存在。这些粒子可能会导致未来量子器件的进步。

当电子和它们形成的带相反电荷的空穴结合在一起时，就会产生激子。长期以来，人们一直在绝缘体和半导体中观察到激子，这些材料为现代计算机提供动力。在这篇出版物中，Uchoa 和 Xie 预测了一种具有有限涡度的新型激子的存在，称为“拓扑激子”，它存在于一类称为陈绝缘体的材料中。

拓扑学是数学的一个分支，它研究形状和表面的属性，即使被拉伸、扭曲或弯曲时也不会改变。例如，中间有孔的圆环和手柄上有孔的杯子都描述了属于同一拓扑类的表面，因为每个表面都可以连续变形到另一个表面。

科学家们使用拓扑思想来描述具有不受缺陷影响的电子特性的材料。流失率是指拓扑中的一个类，其中形状的关键特征可以用整数表示。

“陈绝缘体是允许电子绕材料边缘运行但不在内部导电的材料，”乌乔亚说。“然而，它们确实会自发地形成单向电流，沿着二维材料的边缘顺时针或逆时针流动。这些单向电流是以电流的基本单位精确测量的。

在这项工作中，Uchoa 和 Xie 预测，在明确定义的条件下，通过陈绝缘体照射光产生的激子将继承寄体材料中电子和空穴的非平凡拓扑性质。这个预测很强大，因为它基于基本概念而不是计算机模拟。

“在绝缘体中，光将电子从它们通常所在的价带激发到它们可以自由移动的导带，”Unchoa 说。“当这两个带在拓扑上不同时，产生的激子本身就是拓扑的。一旦这些激子通过释放能量而衰变，它们就会被预测会自发地发出圆偏振光。

根据 Xie 的说法，这些拓扑激子可用于设计一类新型光学器件。在低温下，激子可以形成一种新型的中性超流体，可用于制造强大的偏振光发射器或用于量子计算的先进光子器件。

“对这种复合粒子的预测可能有助于开发基于拓扑学的新型光电器件，”Uchoa 说。“它不仅可以帮助量子通信应用，还可以帮助根据发射光的涡度或偏振设计具有两种纠缠状态（打开和关闭）的量子比特。我对这些可能性感到非常兴奋。

更多信息：Hong-Yi Xie et al， 平面陈带拓扑激子绝缘体和凝聚态理论，美国国家科学院院刊（2024 年）。DOI： 10.1073/pnas.2401644121

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences