单层半导体激子中的非常规超流体 | 前沿快讯No.40

Original 中国物理学会中国物理学会 2024-04-13

华南师范大学物理学院陈伟等提出一种低能物理超越二维均匀玻色子传统范式的二维玻色系统——单层过渡金属二卤属化合物的层内激子。考虑内禀的谷-轨道耦合和谷塞曼能量，激子色散在小动量下呈线性分布，产生了一系列新奇的特征。结合最近在单层半导体热平衡激子流体的实验进展，该工作提出了一种实验上可以实现的、寻找超越BKT范式非常规二维超流体的系统。相关研究成果以Searching for Unconventional Superfluid in Excitons of Monolayer Semiconductors为题，发表于《物理评论快报》Physical Review Letters 2023, 131, 236004上。

在二维均质系统中，根据Mermin-wagar定理，连续对称性无法自发破缺，并且不存在真正的长程序。一个特殊的例子是二维玻色-爱因斯坦凝聚的临界温度为零。尽管如此，超流体依然可以在有限的温度下实现，从超流体到正常相的转变可以用别列津斯基-科斯特利茨-托利斯（BKT）理论描述，其潜在的机制是配对的涡旋-反涡旋对在高温下的解开配对。这种通用的范式可以成功描述各类不同的二维超流体，包括液氦薄膜、超导体、冷原子气体、激子极化凝聚和双极激子等。

对于二维玻色系统，低温相的性质通常关键取决于态的密度。偏离均质空间或者抛物线型的色散可能导致超越传统范式的超流体。比如，当超冷玻色原子束缚在简谐势阱中，对应的玻色-爱因斯坦凝聚温度不为零。类似的例子包括被限制在球面表面的玻色子，由于有限尺寸效应，也存在一个有限的玻色-爱因斯坦凝聚温度临界温度。另一方面，对于在自旋轨道耦合气体相变临界点实现的具有四次色散的均匀玻色子，对应的BKT相变温度消失，对应的低温相具有代数阶数的特征。这是一个由态密度的增加引起低能涨落增强的有趣例子。相反的，单粒子色散阶数小于2的相互作用玻色子在实际的实验中依然缺乏，作为三种均匀空间中各向同性的二维玻色子系统之一，这种体系非常重要。总之，超越传统范式的二维均质玻色子非常罕见和有趣，能够加深对玻色-爱因斯坦凝聚和超流体等基本概念的理解。

本文作者指出在单层过渡金属硫属化物体系中，具有线性色散的层内激子提供了另一个超越传统超流体范式的例子。需要注意的是，系统的各向异性会导致二维材料中有趣的各向异性超流体，也超越了各向同性超流体的传统范式，但文中作者只考虑了各向同性的超流体。单层过渡金属硫属化物中层内激子的质心运动具有内禀的谷-轨道耦合特性，来源于电子-空穴交换相互作用。通过磁场或谷选择性光学斯塔克效应引入额外的谷塞曼能，层内激子下分支的色散呈线性分布 (图一)，这种特殊的色散使层内激子表现出低能物理学中的许多新奇的特征，如下：

（i）在考虑谷塞曼能时，该二维均匀系统的玻色-爱因斯坦凝聚临界温度非零，并且随场强的增加而迅速增加；

（ii）谷塞曼能存在时，这个激子凝聚态的波格留波夫激发谱在长波极限下表现q^1/2行为，与常规的声子激发不同，这是一种无能隙Goldstone模式的常规形式；

（iii）涡旋能量随系统尺寸偏离对数形式，导致大系统尺寸对应非BKT型相变。其存在一个特征系统尺寸，超过该特征系统尺寸后，超流体向正常态的相变由BKT型演变为三维型，且超流体密度没有不连续跳跃。这种演变也可以在单个系统中通过调整谷塞曼能的大小观察到。

（iV）随着温度的升高，系统经历了两步相变，首先从长程序的玻色-爱因斯坦凝聚态到准长程阶的超流体，随后到正常态。这些新的相可以通过测量激子发射光子的时空相干性来实验检测。

图1 单激子色散和零动量激子凝聚态的波格留波夫激发谱。δ与谷塞曼能有关，可通过外加磁场控制

图2 不同的激子密度下，独立和放置于SiO₂衬底上的过渡金属硫属化物中，非相互作用和相互作用玻色-爱因斯坦凝聚临界温度随δ的变化。

图3 系数β、特征系统尺寸L_c和动量Q_c随δ的变化。

图4 层内激子的有限温度相图。

原文连接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.236004

编译：不言

排版：不言