拓扑激子绝缘体相研究取得进展该研究为激子绝缘相光学观测提供了理论

上世纪60年代，诺贝尔奖获得者 Mott 提出激子绝缘相， Mott 提出考虑库仑屏蔽效应，在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子，可能会导致体系失稳，从而在半金属费米面处打开能隙，形成激子绝缘体状态。但迄今为止，实验上观测激子绝缘体相是一个尚未完全解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因斯坦凝聚的确凿证据并不充分，主要是由于激子的寿命较短，带来观测上的困难。

InAs/GaSb 半导体量子阱系统是重要的红外探测器体系，其能带结构独特，本征情况下会自发形成空间分离的二维电子气和空穴气。由于其电子、空穴的空间分离，激子寿命变长，为研究激子绝缘体提供了良好的平台。在 InAs/GaSb 半导体量子阱中，通过调节 InAs 和 GaSb 层厚，可使 GaSb 层的价带顶高于 InAs 层的导带底，体系中可以自发地形成局域于 InAs 层的电子气和局域于 GaSb 层的空穴气，两者在实空间分离。美国斯坦福大学张首晟研究组的理论工作证明， InAs/GaSb 量子阱的基态是二维量子自旋霍尔绝缘体；美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组在该系统中观察到拓扑边缘态的输运，并发现边缘态输运即使在强磁场下仍能保持。

如果考虑电子-空穴间的库仑作用，即当激子束缚能大于体系的杂化能隙时，理论上猜想该体系基态形成如 Mott 预言的激子绝缘体相甚至拓扑激子绝缘相。美国莱斯大学/北京大学杜瑞瑞实验组、美国莱斯大学大学 Kono 实验组和中国科学院半导体研究所常凯理论组，从实验和理论两方面研究 InAs/GaSb 量子阱中的激子绝缘相。研究员常凯、副研究员娄文凯构造了平行磁场下激子的多带量子多体理论模型，研究激子绝缘相的基态及其独特的色散，发现激子的基态是处于有限动量处的暗激子。在低温且低电子-空穴对密度情形下，体系打开类似 BCS 超导体中的能隙。通过研究激子的色散关系，提出利用太赫兹透射谱来验证激子绝缘体的存在，指出太赫兹透射谱表现为两个吸收峰，理论计算预言的吸收峰位与实验一致，为激子绝缘相光学观测提供了理论依据。

相关研究成果发表在 Nature Communications 上。

(a)InAs/GaSb量子阱能谱图；(b)实验装置示意图；(c)激子绝缘体色散关系；(d)激子绝缘体联合态密度；(e)THz吸收谱；(f)-(h) THz吸收谱：固定磁场不同温度(f),固定温度不同磁场(f,h)；(i)带隙与温度关系；(j)测量纵向电导与门电压之间关系；(k)不同磁场强度下InAs/GaSb能谱结构。

来源：中国科学院半导体研究所