由加州理工学院DavidHsieh博士领导的一组科学家观察到光掺杂反铁磁莫特绝缘体中存在稳定哈伯德激子的证据。他们的研究结果发表在《自然物理学》上。

在凝聚态物理学的世界里，存在着一种令人兴奋的现象，它长期以来一直是人们感兴趣的主题——激子。

激子通常存在于半导体材料中，是一种复合粒子(或准粒子)，当电子和空穴(不存在电子)通过静电力相互作用时就会出现。

激子类似于氢原子中的质子和电子，存在短暂且已得到充分研究。然而，当我们进入莫特绝缘体领域时，它们的行为发生了变化，这种材料违反了普通半导体中电子行为的传统规则。

长期以来，人们一直认为哈伯德激子(一种新型准粒子)可能会出现在莫特绝缘体中。但它们是否能够真正作为稳定的准粒子存在于真实材料中仍然是一个悬而未决的问题。现在，科学家们的实验数据表明答案是肯定的。

在解释他的团队研究这些系统的动机时，谢博士告诉Phys.org，“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

莫特绝缘体的固有特性导致哈伯德激子不同于半导体中的常规激子。

与电子离域的半导体不同，莫特绝缘体由于强库仑相互作用而迫使电子进入特定的晶格位置。这种局域化产生了明显的带隙，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，电子自旋有利于从一个位置到下一个位置以交替方向排列，从而形成一种被称为反铁磁顺序的模式。

“这种反铁磁环境创造了实现哈伯德激子的可能性。”

反铁磁相互作用本质上是磁相互作用，其中相邻电子自旋以相反方向排列，导致材料内形成独特的磁序。

理解和检测哈伯德激子比半导体中的常规激子更具挑战性。这是由于电子相互作用的复杂相互作用、材料的反铁磁顺序以及这些激子的短暂性质。

谢博士详细阐述道：“在实验上，使用用于常规半导体激子的传统光谱技术很难检测到它们。这就是为什么我们采用频闪技术来实时捕获激子形成的原因。”

寻找指纹

该团队由前研究生OmarMehio领导，其实验装置取决于莫特绝缘材料和光谱技术的选择。

选择正确的材料至关重要，该团队选择了Sr2IrO4，这是一种反铁磁莫特绝缘体，以其复杂的电子相互作用而闻名。

对于光谱测量，该团队选择了太赫兹辐射，这是一种低频波，非常适合探测激子的内部结构。

该团队首先使用红外激光脉冲来激发带隙上的载流子。然后，太赫兹光谱仪使他们能够实时捕获Sr2IrO4的瞬态响应，以检测哈伯德激子的光谱或独特的指纹。

最初，这种材料通常表现为绝缘体，正如预期的那样，由于产生了自由电子和空穴，转变为类导体状态。

但这种材料并没有简单地恢复到原来的绝缘状态，而是迅速转变为另一种绝缘状态，这种绝缘状态的光谱更类似于原子的光谱。然而，与氢的光谱不同，能级间距仅为几毫电子伏，正如哈伯德激子流体所预期的那样。

这些发现得到了约瑟夫斯特凡研究所ZalaLenarcic博士进行的高级计算机模拟的支持，为Sr2IrO4内存在哈伯德激子流体提供了令人信服的证据。

然而，该实验并非没有挑战。谢博士强调了其中的一些问题，他说：“我们面临着几个障碍，包括生长大型、高质量的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)，以及适应反射几何形状以克服影响物质的吸收。

“此外，来自哈伯德激子的信号相当弱。因此，我们必须在测量中抑制噪声源，例如实验室温度波动。”

下一步是什么?

正如谢博士和他的团队所证明的那样，强相关绝缘体中哈伯德激子的表征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。

“很难预测潜在的技术应用，”谢博士说，“人们可能会想象新的功能，其中激子特性可以通过磁自由度调节，或者激子特性(用于光学应用)和磁性特性(用于信息存储)应用)都可以在单一材料中得到利用。”

未来的研究可以深入研究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。

谢博士和他的团队尚未完成哈伯德激子的研究。在分享他的下一步计划时，他说：“关于我们计划追求的具有根本重要性的哈伯德激子，还有许多剩余的问题。我们最关心的问题包括以下内容。我们能否证明哈伯德激子确实主要是“受到反铁磁相互作用的约束?哈伯德激子的性质如何随着底层磁态的纹理而变化?哈伯德激子之间相互作用的本质是什么，它们可能会产生什么新的集体激子相?”

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

EdoardoBaldini在同一期期刊上发表了一篇关于Hsieh团队工作的新闻与观点文章。