本文由论文作者团队投稿
导读
准粒子是凝聚态物质中的集体量子激发元，对理解材料物理和半导体技术应用具有基础性重要意义。
利用超快光学泵浦-探测技术，宁存政领导的深圳技术大学和清华大学团队发现了一系列无法用现有准粒子解释的新光谱特征。利用现代量子多体理论，他们确定这些光谱特征来自一种新的准粒子——四子，这种四子与已知的双激子不同，是一种由两个电子和两个空穴组成的更一般的、真正的四体复合粒子，不需要有激子的存在。
该成果以“The quadruplon in a monolayer semiconductor”为题发表在eLight。
物理学的重要任务之一是理解为什么各种材料具有相应的电学、光学、热学或磁学等特性。这些特性是各种材料应用的基础。现代量子理论用"元激发"或准粒子概念来解释这些特性。典型的准粒子包括晶体中的声子、半导体中受晶格调制的电子与空穴，或被声子进一步"缀饰"形成的极化子，以及由电子和空穴对构成的类氢结构，称之为激子。两个激子可结合形成激子分子，称为双激子，类似氢分子。虽然双激子包含四个粒子（2电子+2空穴），但仍可约化为2体结构的组合。虽然曾有理论预言，更一般的真正的四体量子实体，存在于不同的物理系统，它们不能约化为两体的组合，但实验证据稀缺，尤其在半导体中从未发现。
由宁存政领导的深圳技术大学和清华大学团队报道了发现二维半导体二碲化钼中新型四体准粒子（四子）存在的实验证据。该团队采用单层二碲化钼（MoTe2）作为核心材料，将其包裹于上下两层氮化硼（BN）绝缘层之间，顶部通过金属电极与二碲化钼形成电接触，底部氮化硼层下方设置栅电极（见图1a）。利用超快泵浦-探测技术，用强泵浦脉冲激发材料，再用弱探测脉冲分析其光吸收特性。通过调节栅压、泵浦强度、延迟时间、探测光子能量和偏振、以及温度等参数，他们系统地研究了吸收光谱响应的演变规律。
图1：关键结果与理论阐释
a. 器件结构：单层二碲化钼（MoTe2）夹于两层氮化硼（BN）之间，顶部通过石墨烯薄层与二碲化钼形成电接触；
b. 能级示意图：泵浦光激发电子形成双体（2B）态（如激子），探测光吸收使系统从两体（2B）态跃迁至四体（4B）态。四体态可能包含双激子及四子等不同量子态；
c. 光谱对比：红色-黄色等高线图（上部）为连续波吸收光谱，白色虚线标出了激子（X）与三子（T）的光谱位置。电中性栅压下，激子峰强度最大，三子峰最弱，且激子峰下方无显著特征峰。超快泵浦-探测差分吸收光谱（下部）显示出六个新的特征峰（实线标记），对应理论模型中四阶集团相关的2B→4B跃迁（见图b）
这种实验的物理原理如下：强泵浦脉冲激发晶体中的电子跃迁，形成激子及其类氢序列、三子（2电子-1空穴或其反型）、双激子、等离子体等准粒子及多体复合态，后续的探测脉冲光子被这些新产生的准粒子吸收后，跃迁至各种四粒子的终态（即四体态）。通过测量探测脉冲的反射或透射光信号，可获取四体态的关键信息。由于准粒子寿命极短（皮秒量级），探测脉冲需在泵浦光所产生的准粒子湮灭前，及时与材料作用，被材料吸收从而得到有用的光谱信息。
传统的此类实验仅能观测到激子、三子、和双激子等特征峰，与此不同，该团队在激子峰低能量侧发现了六个新的吸收峰。由于该团队过去几年已经制备过数百个此类样品，他们很容易排除由于缺陷等外在因素造成的谱峰，而这些特征峰随温度与泵浦功率变化而系统变化的实验结果也证实了这些谱特征来源于材料的内禀性质，非外在因素如缺陷或测试噪音等。
“为确认这些新的特征峰来源于材料的内禀性质，我们系统研究了其随温度与泵浦功率的变化规律。我们尝试了很多可能的实验手段，所有证据均表明是材料本征的性质导致了这些光谱特征，且这些谱特征稳定可靠。”论文第一作者、宁存政课题组博士生唐嘉铖解释道。
在确证实验现象后，团队尝试用激子、三子、双激子等传统理论模型来解释这些谱特征，但发现现有理论无法得到与实验一致的结果。因此，他们突破传统近似方法，完整考虑了四体（2电子-2空穴）间所有可能的库仑相互作用项。令人惊喜的是，基于全部四体量子态构建的新理论模型完美复现了所有关键实验特征。
“通常情况下，这样的理论与实验高度吻合已经能很好地证明结论的正确性。”宁存政表示，“但四体相互作用涉及众多项，我们需要确切地知道究竟是哪些项造成了新特征峰的产生。此外，上述的理论解释缺乏直观的物理图像支撑。因此，我进一步挑战我的学生尝试构建更直观的理论框架。”
宁存政想到的另一种等价的理论框架是“集团展开”方法，是处理多体问题的另一等价方法。该方法通过逐级增加“粒子集团”大小的办法来近似处理无法精确求解的完整库仑相互作用，其核心优势在于能够建立清晰的物理图像（图1b）。
“令人欣慰的是，我们最终能够建立两种理论方法之间的对应关系，且均能很好的解释实验结果。”宁存政进一步阐述，“集团展开的独特优势在于可以选择性地考虑或忽略特定集团项，从而精准确定究竟哪个集团是新的特征峰的物理来源。”
研究团队最终发现，仅当包含不可约化的四阶集团（2电子-2空穴）时，所有实验现象才能被精确复现。该四阶集团对应一种全新的复合量子实体——由2电子-2空穴直接关联形成的四体准粒子。与传统的双激子不同的是，这种四子里不需要有激子的存在，遵循以前的理论文献的命名，他们将其命名为“四子”（quadruplon）。
该团队认为，未来仍然由很多值得继续研究的东西。他们计划在其他材料体系中探索类似现象，另一个值得研究的是这个新的四子的发光特性，以揭示这种强关联多体系统的量子本质，特别是新的量子纠缠态的特性。由于四子的实验验证，在物理学的各个领域还很少见，最近欧洲核子中心在夸克系统里发现了类似的四子，因而该发现为实验研究四子的物理本质提供了一个在通常能量范围类更加容易实现的机会，相信对理解四子的本质有着重要意义。半导体中四子的发现也为半导体物理开拓了新的研究方向，基于这种四子的器件应用，特别是在量子器件开发上，是另一个值得研究的重要方向。
