由香港城市大學(xué)（城大）的物理學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，首次在金屬中發(fā)現(xiàn)了可以穩(wěn)定存在而又能夠沿單一路徑高速移動的「激子」（excitons）。由於激子可以用光產(chǎn)生而又不帶電荷，這項新發(fā)現(xiàn)令激子有極大的潛質(zhì)，成為數(shù)據(jù)傳遞器件中，比電子更高速的數(shù)碼信息載體，造就未來更高速的數(shù)碼通訊發(fā)展。

所謂「激子」，是一種帶有一對電子和空穴的特別準(zhǔn)粒子（quasi-particles）。當(dāng)某些物質(zhì)受光照射並吸收了光子的能量後，物質(zhì)裡的電子（帶負(fù)電荷）會受到激發(fā)並離開了原有位置，升到更高的能量帶，因而在原本較低的能量帶裡留下了一個帶正電荷的空穴。空穴和電子之間此時便會相互吸引，處於約束態(tài)（「庫侖相互作用」︰即電荷之間同極相斥，異極相吸的基本靜電力），形成一對電子—空穴，這便是激子（圖一）。雖然每一個激子本身都有一個可導(dǎo)電、帶負(fù)電荷的電子和一個正電荷的空穴，但兩者牽引在一起，便令激子彷如一個不帶電荷的粒子。

共同帶領(lǐng)這項研究的城大物理學(xué)系助理教授馬均章博士解釋︰「當(dāng)激子的電子跌回空穴位置時，便會以發(fā)光的方式來釋放能量，所發(fā)出的光，便可用作光電器件的數(shù)據(jù)傳輸。」他續(xù)說︰「相比可自由移動的電子，激子是更佳的數(shù)據(jù)載體，因為電子的負(fù)電荷會窒礙它們防止受干擾的能力，減慢了它們的速度，繼而影響傳輸效率。但是，激子一般都非常不穩(wěn)定，尤是在金屬裡。事實上，在我們這次研究之前，要在金屬裡找到穩(wěn)定而又高速移動的激子，被視為一件不可能的事。」

研究團隊成功在金屬裡產(chǎn)生、並檢測到激子，關(guān)鍵在於找到最佳的檢測條件以及選取了具獨特特性的金屬三硒化鉭（tantalum triselenide, TaSe₃）。這項研究由城大以及瑞士保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）的物理學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)，研究成果已於學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》上發(fā)表，題為“Multiple mobile excitons manifested as sidebands in quasi-one-dimensional metal TaSe₃”。聯(lián)合通訊作者分別是馬博士和來自PSI的史明教授和Markus Müller博士，其他合作者包括來自美國羅格斯大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和史丹福大學(xué)等的研究人員。

金屬裡穩(wěn)定存在的激子 有望成為未來信息載體

由於激子屬電中性兼具能夠在固體移動的特性，有望在未來新一代的信息傳輸科技中發(fā)揮重要作用。有別於帶負(fù)電荷、可自由移動的電子，激子不會受到外部電場或磁場的干擾，以及無懼傳送媒介材料本身的缺陷所帶來的影響。

「使用激子轉(zhuǎn)送信息，將來可能比我們現(xiàn)時透過自由移動的電子來傳送的方法，更為穩(wěn)定和具效率。”馬博士解釋說。“雖然過去科學(xué)家曾在半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)激子，並且已在實驗室用於設(shè)計場效應(yīng)晶體管、光電晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等等，幾乎所有透過實驗所觀測到的激子，都只能很慢地移動，大大限制了它們的信息傳輸效率。」

更重要的是，在金屬裡的激子，仍然難以捉摸，過往的相關(guān)研究亦很少。這是由於金屬裡有很多導(dǎo)電的電子可自由移動，減低了電子與空穴之間的吸力效果，形成屏蔽效應(yīng)，抑制了激子的形成，令到激子很少能夠在金屬「生存」足夠長的時間來進(jìn)行實際的應(yīng)用，甚至在實驗裡亦難以被檢測得到。

而以傳統(tǒng)的光學(xué)實驗方法去檢測激子，亦面對一些技術(shù)的局限。城大與PSI的聯(lián)合團隊便採用了先進(jìn)和靈敏的「角分辨光電子能譜儀」（angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES）技術(shù)，來分析具獨特特性的金屬三硒化鉭的電子能帶結(jié)構(gòu)，從而達(dá)致這次研究的重大突破，成功在金屬裡，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的激子，而且那些激子可在金屬裡高速移動。

揀選金屬三硒化鉭作實驗研究對像

研究團隊選擇了金屬三硒化鉭作為尋找激子的研究對像，是考慮到因為它的傳導(dǎo)電子密度低，以及令激子湮滅的屏障效果較弱，因而可增加激子的形成。

此外，三硒化鉭是由一層層的三角棱柱鏈組成，每條柱鏈之間相互平行，柱鏈由「硒三角柱體」組成，柱體的角是硒，圍繞著柱體中間的鉭（圖二）。由於這些柱鏈就像高速火車的路軌一樣，讓激子在上面高速行走，因此，三硒化鉭就像一個一維的金屬，令激子的傳導(dǎo)可以沿著一條軌跡進(jìn)行。

團隊相信，三硒化鉭的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)特性，可以提升激子裡的電子和空穴之間的吸力，但同時可以令電子和空穴分別身處不同層和柱鏈，使電子和空穴能夠保持距離、不致混為一起，因而能避免激子湮滅，提升激子的壽命。

團隊於是透過採用角分辨光電子能譜儀，有系統(tǒng)地記錄了三硒化鉭的電子結(jié)構(gòu)。他們透過以一束極窄的紫外光照射三硒化鉭，令當(dāng)中的電子受激發(fā)，跳到真空，並形成激子（圖三），然後以角分辨光電子能譜儀來分析跳到真空的電子的角度和能量，從而掌握激子的存在、結(jié)構(gòu)和移動。

開發(fā)出可移動激子的理論模型

在排除各種其他的可能性之後，團隊總結(jié)認(rèn)為，金屬內(nèi)穩(wěn)定地存在可沿著一維方向、高速移動激子這說法，可以很好地解釋他們所得的實驗結(jié)果。他們與PSI的理論物理學(xué)家Christopher Mudry教授和Markus Müller博士合作，開發(fā)出一套完整的「一維金屬中可移動激子」的理論模型，並驗證了該理論模型與實驗結(jié)果非常脗合。

團隊亦成功檢測到激子至少能以三種形態(tài)，在三硒化鉭內(nèi)以高速循晶體鏈方向移動，而他們的理論模型均可就此作出解釋。他們發(fā)現(xiàn)，在三硒化鉭中產(chǎn)生的激子，具有最少三種不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這取決於兩個因素。第一個是每個空穴究竟是與一個電子還是兩個傳導(dǎo)電子形成束縛態(tài)，若是與兩個電子，即由三粒子形成束縛態(tài)，稱為「trion」；第二個因素是所涉及的空穴和電子是屬於同一柱鏈、並在上面移動，還是兩者來自相鄰的柱鏈，若是前者，稱為「鏈內(nèi)激子」（intrachain exciton），後者則是「鏈間激子」（interchain exciton）或「鏈間trion」（interchain trion）。

上述的研究發(fā)現(xiàn)意義重大，因這完全打破了以往科學(xué)界認(rèn)為激子難以在金屬中存在的想法。研究亦首次展示了，激子能在金屬裡沿著某一方向高速移動，意味著在應(yīng)用時能提升數(shù)據(jù)傳輸效率。此外，團隊更以實驗顯示，利用鉀原子來對材料表面進(jìn)行「表面電子摻雜」技術(shù)，可以操控三硒化鉭的某些激子特性。

 

今次的研究成果，不僅為激子的進(jìn)一步研究、尤其是在金屬裡的激子，提供了新的路線圖和理論模型，也促進(jìn)了激子成為未來傳導(dǎo)器件中，高速信息傳送載體的應(yīng)用。

「我們的研究為在金屬裡產(chǎn)生能高速移動、並可調(diào)控的激子，開辟新道路。」馬博士續(xù)說︰「這新方向?qū)⒖赏苿友邪l(fā)用來傳遞光電信息的運算和通訊器件。」

今次研究主要獲得香港城市大學(xué)、中國國家自然科學(xué)基金委員會、瑞士國家科學(xué)基金會和中瑞科技合作項目等資助。

DOI number: 10.1038/s41563-022-01201-9