激子絕緣體（EI）是固體中由庫侖相互作用束縛的電子-空穴對（激子）發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的宏觀量子體系。激子絕緣體的材料實(shí)現(xiàn)是科學(xué)界爭議的難題，其主要難點(diǎn)在于缺乏確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)將激子絕緣體與傳統(tǒng)電荷密度波（CDW）態(tài)區(qū)分開來。在激子凝聚的BEC極限中，特有的預(yù)形成激子機(jī)制是區(qū)分EI與傳統(tǒng)CDW的重要標(biāo)志，但目前仍缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 

　　近日，中國科學(xué)院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所唐述杰團(tuán)隊(duì)、美國斯坦福大學(xué)沈志勛團(tuán)隊(duì)與美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室教授Sung-Kwan Mo合作，利用分子束外延（MBE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單層1T-ZrTe₂薄膜制備，并通過角分辨光電子能譜（ARPES）和掃描隧道顯微鏡（STM），揭示了BEC極限下預(yù)形成激子氣相存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相關(guān)研究成果以Signatures of the exciton gas phase and its condensation in monolayer 1T-ZrTe₂為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature communications）上。 

　　在本研究使用ARPES和STM確認(rèn)了單層1T-ZrTe₂中存在2×2 CDW基態(tài)。進(jìn)一步，研究通過多手段的載流子調(diào)制實(shí)現(xiàn)電子相互作用抑制，揭示了1T-ZrTe₂在CDW轉(zhuǎn)變溫度T_c以上并不會(huì)直接進(jìn)入正常態(tài)，而是存在一個(gè)關(guān)聯(lián)性顯著影響的中間態(tài)。同時(shí)，中間態(tài)表現(xiàn)出奇特的能帶和能量依賴折疊行為，證實(shí)是在激子凝聚進(jìn)入CDW態(tài)之前的預(yù)形成激子氣相的特征。研究表明：單層1T-ZrTe₂是具有高度可調(diào)制電子結(jié)構(gòu)的EI候選材料，為探究激子效應(yīng)提供了二維平臺(tái)；其層狀性質(zhì)有利于構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在開發(fā)激子效應(yīng)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，例如利用磁性實(shí)現(xiàn)自旋超流。 

　　上海微系統(tǒng)所為第一完成單位。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、上海市啟明星計(jì)劃等的支持。 

　　論文鏈接 

 

圖1.外延生長單層1T-ZrTe₂中CDW態(tài)的溫度演化 

圖2.CDW態(tài)的兩步形成過程和激子效應(yīng)