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为探究激子绝缘体（EI）相关宏观量子现象，研究人员以双层栅极少层黑磷（BP）为对象开展研究。他们观测到 EI 形成及超流性，其具有类似 BCS 的温度依赖关系。该研究为强关联物理研究提供新平台18。
在微观的量子世界里，激子凝聚和超流性现象一直是科学家们探索的神秘领域。激子凝聚，指的是电子和空穴自发地配对形成一种特殊的状态，这些集体状态也被称为激子绝缘体（EI） 。这种特殊的物质状态有望带来许多新奇的多体物理现象，比如玻色 - 爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensates）和巴丁 - 库珀 - 施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer，BCS） 转变。虽然通过测量电荷能隙已经证实了激子绝缘体的存在，但与之相关的宏观量子现象却很少被观测到。
为了揭开这些神秘现象的面纱，来自南京大学、北京理工大学、西北工业大学、南京信息工程大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在少层黑磷（BP）这种材料上，其研究成果发表在《Nature Communications》杂志上。这项研究意义重大，它不仅揭示了激子绝缘体中奇异的量子相和不寻常的有序状态，还为复合费米子的研究提供了新的视角。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是样品制备技术，他们使用干转移技术堆叠二维多层异质结构，在充满氩气的手套箱中完成整个制备过程，确保环境中氧气和水的浓度极低。其次是输运测量技术，利用半导体分析仪测量样品的输运特性，通过控制顶栅和底栅电压来调节样品中的电位移场（D） 。最后是傅里叶变换光电流光谱技术，使用自制的傅里叶变换红外光电流光谱仪系统，对黑磷中的电子 - 空穴对行为进行表征。
下面让我们来详细了解一下研究结果：
- 光电流光谱特性：研究人员首先研究了不同层数和泵浦功率下黑磷的光电流光谱。在低泵浦功率下，所有光谱都呈现出一个单一的激子峰。随着泵浦功率的增加，激子峰逐渐消失，同时出现一个连续吸收带，其截止能量随泵浦功率增加而蓝移。此外，在高泵浦功率下，还出现了另一个低能量峰，可能源于不同界面之间的空间间接激发2。
- 电场可调的相变：对于合适厚度（8 - 10 层）的黑磷，在适度的位移场和光泵浦下会发生金属 - 绝缘体转变。通过测量电导和光电流光谱，研究人员发现随着位移场的增加，黑磷的带隙减小。在特定的激发强度和位移场范围内，光电流光谱会突然从宽带响应转变为单峰响应，这是由于发生了相变。通过对光电流光谱关于栅极电压的偏导数（?I/?Vg） 分析，发现其在相变时会突然跳跃，表明从金属相转变为电荷不可压缩的绝缘相34。
- 激子绝缘体的验证：研究人员认为这个绝缘相是激子绝缘体。通过理论计算，他们发现层间激子的结合能几乎与位移场（D）无关，而带隙随着 D 的增加逐渐关闭。当层间激子结合能超过关闭的带隙时，就会发生金属 - 激子绝缘体转变56。
- 激子超流性的证据：在激子绝缘体形成的过程中，本征黑磷通道的高能范围光电流降至噪声水平以下。研究人员认为这是激子超流的证据，因为这种零光电流不太可能是由于绝缘能隙禁止吸收导致的，而且消失的光电流表明束缚的电子 - 空穴对在受到外部阻尼效应时不会解离。此外，研究还发现激子绝缘体状态具有典型的 BCS - 样温度行为，其临界温度约为 17K79。
综合上述研究，研究人员在少层黑磷中实现了电可调的激子凝聚，通过能量分辨的光响应分别识别了各种激子的独特行为。凝聚的激子绝缘体代表了具有零传输电流的超流性，这与普通的带绝缘体有着根本的不同。研究还发现本征黑磷激子发生了超流转变，而空间间接激发则没有，这暗示界面效应可能会破坏激子超流性。这项研究为探索强关联物理，如 BEC - BCS 交叉和非常规超导等，提供了一个重要的平台，有助于科学家们进一步深入理解量子世界的奥秘，推动相关领域的发展。
