激子调控，为量子与光电子器件研发开辟新路径

激子是半导体中形成的束缚态粒子对，由带负电的电子和带正电的空穴构成，可实现电子设备内的能量传输。这类载流子对同样存在于过渡金属二硫属化物中，该材料是一类由过渡金属原子与两个硫属原子构成的超薄半导体材料。

卡内基梅隆大学、加州大学河滨分校及其他研究机构的科研人员，提出了一种全新调控策略，可对莫尔超晶格中的能量流动进行操控。这项研究成果发表于《自然・通讯》期刊，其核心方法是通过主动调控莫尔超晶格的电子态，改变激子的传输特性。

该论文的作者施苏菲表示：“过去几年，我们一直以二硫化钨/二硒化钨异质结为研究对象，探索由强电子 - 电子相互作用、激子 - 激子相互作用引发的量子多体效应。早在 2021 年，我们发现强电子 - 电子相互作用的同时，还观测到层间激子与关联电子之间存在强耦合作用。这一发现启发我们，可利用这种电子 - 激子相互作用来操控激子的动力学行为。”

利用莫尔超晶格中的关联电子实现调控

在研究过程中，施苏菲团队首先制备出过渡金属二硫属化物薄膜，再将两层薄膜以特定角度堆叠，构建出莫尔超晶格结构；随后通过光学手段，诱导两层薄膜之间产生激子。

研究人员通过调节体系内的电子密度，测量激子的扩散距离与扩散速率（这一指标被称为扩散系数），并对比了不同电子相态下的激子传输特性。

施苏菲解释道：“我们借助静电掺杂（栅极电压调控） 技术控制莫尔超晶格中的电子数量，进而实现对体系内激子扩散系数的调控。这些电子间存在极强的相互作用，被称为关联电子。当电子形成莫特绝缘体相时，激子的扩散系数会发生显著改变。”

值得注意的是，研究团队发现：当莫尔超晶格中的电子密度达到临界值，形成莫特绝缘体相时，体系内激子的扩散系数可提升至原来的 100 倍；与之相反，当电子排列成高度规整的类晶体结构，形成维格纳晶体相时，激子的扩散系数则会受到明显抑制。

量子器件与光电子器件研发的新路径

这项最新研究提出了一种极具潜力的方案，可增强基于过渡金属二硫属化物的莫尔超晶格中的激子扩散系数。该策略有望快速应用于量子器件与光电子器件的研发，实现目标激子态的人工调控。

施苏菲指出：“二维半导体中的激子稳定性极强，因此业界普遍提出‘以激子替代电子作为信息载体’的器件研发构想。但这一构想存在一个固有难题：激子是电中性的，无法像电子那样通过电场实现便捷调控。而我们通过利用关联电子与激子的相互作用，成功实现了激子扩散系数的电场可调谐。”

未来，其他研究团队可基于该成果，开发莫尔超晶格相关新技术，通过调控器件内的激子传输，实现目标物理态的诱导产生。此外，施苏菲团队的研究结论，也可为层间激子扩散系数的物理机制研究提供启发，推动相关实验调控手段的进一步探索。

施苏菲透露：“接下来，我们将进一步探索如何通过电场或纳米尺度器件图案化技术来调控激子扩散系数；同时，我们也将研究如何利用激子 - 激子相互作用，实现对激子扩散行为的进一步操控；最终，我们计划基于现有研究成果，构建全新的关联激子态。”