Nature：可捕获激子的电调谐量子阱

图1 激光光束（图中橙色所示）激发激子（图中紫色部分所示），在电场作用下激子被“困”在半导体材料内部

苏黎世联邦理工学院的研究人员使用可控电场、首次成功实现在半导体材料中捕获激子（一种由带负电荷的电子和带正电荷的空穴组成的准粒子）。这一新技术对单光子源及其他基础研究意义重大。

在半导体材料中，电流由电子和带正电荷的空穴（即电子空位）产生。使用光线照射半导体材料，能够将材料中的电子激发到更高能级，从而在原能级留下一个空穴；通过静电吸引作用，电子和空穴结合在一起产生激子。激子是一种准粒子，整体对外表现为中性粒子。由于激子对外表现为中性，此前科学家们一直很难将激子固定在材料内的某个特定位置。

如今，在物理系教授Ataç Imamo?lu及其博士后Puneet Murthy，连同机械与工艺工程系教授David Norris所领导的一组科学家首次成功利用可控电场在一个微小区域内实现了激子捕获，同时也观测到了其运动的量子化。研究人员希望这篇近期发表于Nature上的成果能助力光学技术应用进展，并为基本物理现象的解释提供新的思路。

激子：半导体与光的桥梁

“激子在半导体与光之间发挥着重要的连接作用。”Murthy说。激子被用于诸如光传感器、太阳能电池，甚至量子技术中所使用的新型单光子源等技术中。能够以一种可控的方式捕获激子，一直是固体物理研究人员的一大研究目标。

苏黎世联邦理工学院的研究人员们在两层绝缘体之间夹入一层半导体材料——二硒化钼的薄层、并在顶部和底部添加和电极，制造出了激子阱。在这种结构中，上电极仅作用于部分材料，因此施加电压后所产生的电场在材料内部不同位置处的强度不同，反之导致半导体内部带正电的空穴堆积在上电极下方、而其他位置则堆积带负电的电子；半导体内部在这两个区域之间产生电场。

图2 通过顶部和底部电极施加电压后，空穴（图中蓝色所示）和电子（图中红色所示）在半导体内部积聚。在这两个区域之间产生的电场能够极化和捕获激子（图中蓝/红相结合部分所示）。右图：在所产生的“陷阱”中，激子被拉向了能量最低处

量子化的激子运动

“所产生的电场在短距离内发生强烈变化，可以非常有效地捕获材料中的激子，”参与Murthy实验的博士生、论文的主要作者Deepankur Thureja解释说。尽管激子表现为电中性，但它们仍能够被电场极化——也即激子中的电子和空穴被拉远，从而产生一个电偶极场。这一电偶极场与外部场相互作用，进而对激子施加作用力。

为了通过实验验证这一理论，研究人员使用不同波长的激光照射材料，并对反射光进行了测量。研究人员在实验过程中观察到了一系列谐振，表现为特定波长处激光的反射要高于理论值。此外，改变施加在电极上的电压可以调谐谐振。“这一现象明确说明，电场形成了激子阱，并且阱中激子的运动呈现量子化。”Thureja说。此处所提到的“量子化”表示激子只能处于某些明确的能态，就如同原子中的电子一样。Imamo?lu及其同事根据谐振发生的波长区间推断，电场所形成激子阱的宽度小于10纳米。

量子信息处理中的应用

这种捕获激子的技术在实际应用及基本问题的研究中意义重大。Murthy说：“电控的激子阱将补全相关研究的关键一环。”比如，有了电控激子阱，物理学家就能够把许多被捕获的激子串在一起，并使其发出性质完全相同的光子。Murthy解释说：“基于此，人们将能制造出用于量子信息处理的单光子源。”

Imamo?lu补充道：“激子阱同时也为基础研究打开了新的大门；此外，还能用于研究强相互作用激子的非平衡态中。”