在凝聚態(tài)物理的圖景中，新物質(zhì)狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)不斷塑造著我們對(duì)基本相互作用的理解，并為革命性的技術(shù)鋪平道路。其中，激子絕緣體的概念長(zhǎng)期以來(lái)一直吸引著研究人員，它描述了一種電子-空穴對(duì)（激子）自發(fā)凝聚的狀態(tài)，就像超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)一樣，從而形成絕緣相。盡管激子絕緣體的存在已在理論上被預(yù)測(cè)并獲得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，但 Jinyu Liu 等人于 2025 年在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究，將這一領(lǐng)域推向了一個(gè)令人興奮的新維度：在 HfTe?的超量子極限下首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了自旋三重態(tài)激子絕緣體。這一重大發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對(duì)量子多體現(xiàn)象的理解，還為探索奇異的自旋相關(guān)輸運(yùn)和潛在的新型自旋電子功能開(kāi)啟了前所未有的途徑。

自旋三重態(tài)激子絕緣體的獨(dú)特之處

從歷史上看，大多數(shù)被觀測(cè)到的激子絕緣體都具有“自旋單重態(tài)”激子，其中構(gòu)成激子的電子和空穴自旋方向相反，導(dǎo)致激子的凈自旋為零。這種配置雖然引人入勝，但限制了可訪問(wèn)的量子現(xiàn)象范圍。自旋三重態(tài)激子絕緣體的吸引力在于其固有的磁性特征：在這種情況下，電子和空穴以平行自旋結(jié)合，導(dǎo)致激子的凈自旋為一。這種區(qū)別至關(guān)重要，因?yàn)榇罅孔孕貞B(tài)激子的宏觀凝聚可以表現(xiàn)出獨(dú)特的磁性，包括難以捉摸的自旋超流性和自旋約瑟夫森電流現(xiàn)象。這些概念與自旋三重態(tài)超導(dǎo)以及在 3He 中觀察到的超流性有著驚人的相似之處，凸顯了對(duì)涉及自旋自由度的宏觀量子相干性理解的深遠(yuǎn)影響。

HfTe?：理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

選擇 HfTe?作為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是特別有見(jiàn)地的。HfTe?是一種三維拓?fù)洳牧希云鋸?fù)雜的電子能帶結(jié)構(gòu)而聞名。在施加強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，HfTe? 會(huì)表現(xiàn)出顯著的轉(zhuǎn)變：其自旋極化的零階朗道能級(jí)交叉，產(chǎn)生一維外爾模式。拓?fù)?、?qiáng)磁場(chǎng)和電子-電子相互作用之間這種錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用為奇異量子相的出現(xiàn)創(chuàng)造了肥沃的土壤。在這種超量子極限下，只有少數(shù)朗道能級(jí)被填充，電子系統(tǒng)對(duì)相互作用驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象高度敏感，使其成為實(shí)現(xiàn)自旋三重態(tài)激子絕緣體等奇異狀態(tài)的理想候選材料。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)與突破

Liu 等人提出的實(shí)驗(yàn)證據(jù)令人信服且細(xì)節(jié)精確。通過(guò)精確的輸運(yùn)測(cè)量，研究人員發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)超過(guò)臨界閾值時(shí)，HfTe?中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)顯著的能隙——約 250 μeV，這種能隙的形成是絕緣態(tài)的標(biāo)志。關(guān)鍵的是，對(duì)霍爾電導(dǎo)率的進(jìn)一步分析表明，在很寬的磁場(chǎng)范圍（從 10 特斯拉到驚人的 72 特斯拉）內(nèi)，霍爾電導(dǎo)率都穩(wěn)定為零?；魻栯妼?dǎo)率的消失有力地表明，系統(tǒng)在能隙打開(kāi)后達(dá)到了電荷中性，這是激子絕緣體形成的關(guān)鍵特征，而不是傳統(tǒng)的能帶絕緣體或分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。

為了闡明這種新形成的絕緣態(tài)的性質(zhì)，研究人員采用了復(fù)雜的材料特異性建模。這一理論框架與他們的實(shí)驗(yàn)觀察緊密相關(guān)，提供了令人信服的證據(jù)，表明觀察到的能隙確實(shí)源于自旋三重態(tài)激子的形成。模型表明，電子和空穴在自旋對(duì)齊的情況下結(jié)合形成這些激子，并且關(guān)鍵的是，保持了系統(tǒng)的平移對(duì)稱(chēng)性。這種理論基礎(chǔ)鞏固了自旋三重態(tài)激子絕緣體的實(shí)驗(yàn)主張，將其與其它可能的絕緣相區(qū)分開(kāi)來(lái)。

研究意義與未來(lái)展望

這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的意義是深遠(yuǎn)而多方面的。首先，自旋三重態(tài)激子絕緣體的實(shí)現(xiàn)為研究新型自旋輸運(yùn)現(xiàn)象開(kāi)辟了全新的前沿。想象一個(gè)世界，自旋而非電荷是主要的載體，無(wú)耗散地流動(dòng)。在這種系統(tǒng)中觀測(cè)到自旋超流性或自旋約瑟夫森電流將是一項(xiàng)里程碑式的成就，可能導(dǎo)致我們對(duì)量子輸運(yùn)理解的范式轉(zhuǎn)變。這些現(xiàn)象與量子霍爾雙層系統(tǒng)中與層贗自旋相關(guān)的輸運(yùn)特性有著驚人的相似之處，表明了看似不同量子系統(tǒng)之間更深層次的內(nèi)在聯(lián)系。

其次，這項(xiàng)研究為深入理解宏觀量子現(xiàn)象鋪平了道路。大量自旋三重態(tài)激子的相干凝聚代表了一種宏觀量子態(tài)，其中自旋的集體行為決定了材料的性質(zhì)。這提供了一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)來(lái)探索關(guān)于量子相干性、糾纏以及宏觀量子現(xiàn)象從微觀相互作用中涌現(xiàn)的基本問(wèn)題。

最后，也是從技術(shù)角度看最令人興奮的是，自旋三重態(tài)激子絕緣體的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)徹底改變自旋電子學(xué)領(lǐng)域。目前的自旋電子器件主要操控單個(gè)電子的電荷和自旋。然而，控制和利用自旋三重態(tài)激子集體行為的能力可能導(dǎo)致全新類(lèi)別器件的開(kāi)發(fā)。想象一下，自旋電子元件可以利用自旋電流而沒(méi)有相關(guān)的電荷耗散，提供前所未有的能源效率和速度。這可以為新型存儲(chǔ)架構(gòu)、邏輯門(mén)甚至基于這些奇異自旋三重態(tài)凝聚體操控的量子計(jì)算元件開(kāi)辟可能性。