利用电子-空穴晶体为计算技术开辟新天地

从左到右：新加坡国立大学的研究人员卢炯副教授、邱志展博士和韩怡璇先生是多学科研究小组的成员，他们利用一种奇特的量子材料，以新颖的方法将难以捉摸的电子-空穴晶体可视化。

当电子的数量与材料中的主晶格位点相匹配时，电子之间的强相互作用会使它们排列成有序的图案，形成所谓的电子晶体。这种现象非常迷人，因为电子开始集体行动，这对量子模拟非常有用。如果电子和它们的正极对应物（称为空穴）共存于一个系统中，它们就能创造出更奇特的量子态，具有无与伦比的特性，例如一种特殊的逆流超流，在这种超流中，电子和空穴向相反的方向流动，没有阻力和能量耗散。

然而，要使电子晶体和空穴晶体保持在一起而不迅速重组是一项挑战。为了解决这个问题，科学家通常将它们分离到不同的层或宿主中。虽然这种方法显示了多层结构中的电子-空穴状态，但在单一天然材料中找到这些状态仍是一个争论不休的话题。这是因为目前还没有足够可靠的实验证据，而且很难找到奇特的量子材料能够将电子-空穴晶体保持在一起而不会相互抵消。

为了解决这个问题，新加坡国立大学的一个研究小组取得了突破性进展，在一种由氯化α-钌（III）（α-RuCl3）制成的奇异量子材料（被称为莫特绝缘体）中创建并直接观察到了电子-空穴晶体。这一发现为探索电子和空穴共存的量子激子态开辟了新的可能性，从而为包括内存计算和量子计算在内的计算技术的新进展铺平了道路。

该研究团队由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所（I-FIM）的卢炯副教授与新加坡国立大学功能智能材料研究所所长 Kostya S. Novoselov 教授共同领导。

该研究成果于2024年6月3日发表在科学杂志《自然-材料》上。

Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01910-3

创新方法促进了绝缘体的原子尺度成像

这项史无前例的发现是利用一种名为扫描隧道显微镜（STM）的技术实现的。STM 是一种功能强大的工具，它利用量子隧道技术在原子水平上创建真实空间图像。然而，它只能研究导电材料，而不能研究绝缘体。利用一种创新的装置，将石墨烯与α-RuCl3（莫特绝缘体）结合起来，就能解决这一限制。石墨烯是由单层碳原子构成的最薄导电薄膜，它允许电子穿过，并揭示其下莫特绝缘体的电子结构。此外，石墨烯还是一种可调节的电子源，可以对 α-RuCl3 进行非侵入式和可调节的掺杂。

通过 STM 进行实空间成像，可以在两个能级（α-RuCl3 的下哈伯德能带和上哈伯德能带）上发现两种截然不同的有序图案，它们各自具有完全不同的周期性和对称性。通过静电门控调整系统中的载流子密度，研究人员可以直接观察到这些有序性的转变。门控可调转变的直接可视化强烈表明，这些有序性的本质是由电子和空穴组成的晶体，当通过门控改变每个单位晶胞的电子和空穴数量时，晶体会自发重组。

“通常情况下，当掺杂莫特绝缘体时，电子之间的强相互作用会使多余的载流子排列成有序的图案。因此，在掺杂的莫特绝缘体中看到新的电荷有序排列并不奇怪。然而，同时观察到两种不同的有序排列却出乎意料。我们的研究将这一惊人发现归因于电子和空穴共存时电子-空穴晶体的形成。

电子-空穴晶体的直接可视化

在原子水平上直接观察电子-空穴晶体，可以清晰地看到它们的形状和结构，这为过去的介观研究提供了推测性的见解。这些观察结果表明，电子-空穴晶体的分布可能不均匀，因为一种类型的晶体比另一种类型的晶体多。

带有电子-空穴晶体模型的实验装置图（左）和说明α-RuCl3 莫特绝缘体中电子和空穴共存模式的示意图（右）。

“展望未来，我们希望探索如何以新的方式利用电信号控制这些晶体。在掺杂的莫特绝缘体中发现电子-空穴晶体，可以为制造能够在不同状态之间快速切换的材料带来新的方法，这有可能促进功能强大的计算机的发展。这也为创造可用于模拟量子物理等应用的新材料提供了可能性。