物语|朱起忠：在二维半导体中寻找非常规激子超流
编者按
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Reasearch Highlights
本期我们介绍的是华南师范大学物理学院朱起忠副研究员近期的代表性工作“Searching for Unconventional Superfluid in Excitons of Monolayer Semiconductors”，发表在Physical Review Letters上 (W. Chen, C.-J. Huang, Q. Zhu, Phys. Rev. Lett. 131, 236004 (2023))。另外两篇代表性论文包括：
“Single Photon Emitters with Polarization and Orbital Angular Momentum Locking in Monolayer Semiconductors”
Nano Letters 23, 3851 (2023).
“Gate tuning from exciton supefluid to quantum anomalous Hall in van der Waals heterobilayer”
Science Advances 5, eaau6120 (2019).
论文简介
本工作指出单层过渡金属硫化物中的激子可能实现超越传统Berezinskii-Kosterlitz-Thouless范式的二维超流，在二维均匀空间实现有限温的玻色爱因斯坦凝聚。本期物语相关论文介绍请见最新一期前沿快讯。
原文摘要
It is well known that two-dimensional (2D) bosons in homogeneous space cannot undergo real Bose-Einstein condensation, and the superfluid to normal phase transition is Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) type, associated with vortex–antivortex pair unbinding. Here we point out a 2D bosonic system whose low energy physics goes beyond conventional paradigm of 2D homogeneous bosons, i.e., intralayer excitons in monolayer transition metal dichalcogenides. With intrinsic valley-orbit coupling and valley Zeeman energy, exciton dispersion becomes linear at small momentum, giving rise to a series of novel features. The critical temperature of Bose-Einstein condensation of these excitons is nonzero, suggesting true long-range order in 2D homogeneous system. The dispersion of Goldstone mode at long wavelength has the form ϵ(q)∼√q, in contrast to conventional linear phonon spectrum. The vortex energy deviates from the usual logarithmic form with respect to system size, but instead has an additional linear term. Superfluid to normal phase transition is no longer BKT type for system size beyond a characteristic scale, without discontinuous jump in superfluid density. With the recent experimental progress on exciton fluid at thermal equilibrium in monolayer semiconductors, our work points out an experimentally accessible system to search for unconventional 2D superfluids beyond BKT paradigm.
Phys. Rev. Lett. 131, 236004
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Scholar Insights
朱起忠
朱起忠，2015年博士毕业于北京大学量子材料中心，之后在香港大学物理系从事博士后研究，2019年7月加入华南师范大学物理学院任副研究员。主要从事超冷原子气和低维量子材料的理论研究。
您开展这项研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？
我博士期间一直从事超冷原子气中与超流相关的问题的研究，在博士后阶段进入香港大学姚望教授课题组开始研究二维材料中激子相关的问题，发现激子体系也有很多有趣的超流现象可以研究，从而促使我从一般的角度去思考激子体系可以实现什么样的特殊超流。来到华南师大之后，我的想法进一步具体，进而催生了这样一项研究工作。低维材料体系在近几年受到广泛关注，这个体系中丰富且复杂的激子种类为探索非传统的超流提供了广阔的空间，同时跟我的研究背景能很好的结合，因此对二维材料中激子相关的问题很感兴趣。
完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方法/实验手段？
这项理论工作的主要亮点在于选题和结论的创新性，研究过程并没有用到特别复杂的计算方法，主要是基于平均场理论加上量子涨落效应，这些是之前处理超流问题成熟的方法。
研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？
最大的困难是虽然理论预言的结果很有趣，但刚开始不确定实验上是否可行。在这项研究快要收尾的时候，正好了解到清华大学熊启华教授最新的相关实验进展，给我们理论的实验可行性方面提供了更多支持，使得我们的理论有希望被验证。
研究结果的创新性和重要性具体体现在哪些方面？
这个工作提出了过渡金属硫化物中的激子可能实现二维均匀空间中的有限温玻色爱因斯坦凝聚及非常规的超流现象，其根源来自于单粒子特殊的线性色散（在小动量范围）。对于小动量k下的玻色子色散E(k)~kα, 当指数α=2时，玻色爱因斯坦凝聚温度为零，但体系仍有非零温的超流相变，由著名的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless理论描述，该理论工作获2016年诺贝尔物理学奖。之前的研究发现（Nat. Commun. 6, 8012 (2015)），当α>2时(α=4)，体系的超流转变温度也变为零。在我们研究的这个体系中α<2(α=1)，与以往的体系都不同，这里的玻色爱因斯坦凝聚温度变得非零，而随着温度的升高，体系先从凝聚相（长程序）转变到超流相（准长程序），然后再进入正常相。我们的这项工作与Berezinskii-Kosterlitz-Thouless理论和上述另外一项工作（Nat. Commun. 6, 8012 (2015)）一起，共同构成了对二维均匀玻色体系有限温相变的完整分类，可以帮助我们深入理解凝聚和超流等基本物理概念的区别和联系。您的合作者提供了哪些帮助？如何看待这项研究？
论文的一作是我在华南师大课题组的硕士生陈伟，他完成了具体的数值计算。另外我们还与香港大学的黄春炯博士讨论了关于用蒙特卡洛方法计算该体系有限温相变的具体过程。在相关实验方面，我们与清华大学熊启华教授进行了交流。他们都觉得这项工作很有趣。
论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？
论文一审后收到两个审稿人的意见为一正一负，但都对我们的理论感兴趣。对于负面意见涉及的具体问题我们都有信心能很好的回答，我们仔细准备了回复意见，二审又送了第3个审稿人，意见很正面，对我们的工作做出了很高的评价，小修回复过去之后不久论文顺利接收。
可否对您目前的研究领域做一个展望，有哪些重点和难点科学问题仍值得进一步探索？
当前我主要的研究兴趣在转角二维体系中的激子态，在该体系已有很多关于电子的关联态和拓扑态的研究，而在激子的关联相和拓扑相方面的研究还相对较少，尤其是在激子的拓扑相以及相互作用和拓扑共同作用导致的物态上仍有很多问题值得探索。从量子模拟的角度来看，转角二维体系提供了冷原子系统之外的一个很有吸引力的平台，这里有激子相互作用和能带拓扑等的共同作用，借助实验上多种成熟的调控和观测手段，预期还有很多丰富的物理现象等待挖掘。我认为，由于体系的复杂性，这里的难点在于需要结合第一性原理计算、凝聚态理论和实验观测这三个方向的共同努力才能将相关问题研究清楚，从而真正推动整个领域的发展。
对于刚开始从事科学研究的青年科技工作者有哪些建议可以分享？
博士快毕业的时候，我在北大的导师吴飙教授建议我在博士后期间换一个研究方向。我听从了他的建议，在博士后期间转而研究二维材料中激子相关的问题。从冷原子到低维材料的跨度很大，导致刚开始我很不适应，文章产量也比较少。但回顾过去，我还是从这段研究经历中受益良多，它帮助我开阔了视野，打开了思路。所以建议青年科技工作者多了解自己领域之外的相关问题，触类旁通，对自己领域的研究也会有启发作用。
设计：遇见
排版：*0
美编：农民
责编：理趣
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