【儀表網(wǎng) 產(chǎn)品快訊】 上海交通大學李政道研究所、物理與天文學院蔣慶東教授與其指導的2023級博士生輝雋驍，在理論上提出“相干激子二極管效應”。該效應表現(xiàn)為激子超流在相反方向具有不同的臨界電流，為辨別激子是否建立宏觀相位相干提供了新的電輸運方案。相關成果《電子—空穴雙層中的非互易完美庫侖拖曳：相干激子超流二極管效應》于2026年9月22日發(fā)表于《物理評論快報》，并入選 Featured in Physics(亮點文章)和 Editors’ Suggestion(編輯推薦)；美國物理學會《Physics》雜志以“How to Tell If Your Excitons Have Condensed”為題對該成果進行報道。
 

　　“A newly predicted effect should provide a clean way to distinguish between a Bose-Einstein condensate of quasiparticles called excitons and a more mundane collection of these particles.(論文提出的新效應能夠為區(qū)分激子的玻色-愛因斯坦凝聚和相比之下未形成相位相干的激子絕緣體態(tài)提供清晰的方法。)”
 

　　——Physics網(wǎng)站成果解讀
 

　　從電子與空穴配對到相位相干
 

　　激子是電子與空穴(可理解為電子缺失留下的、表現(xiàn)為正電荷的“空位”)在庫侖吸引下形成的電中性復合粒子。在特定的半導體和半金屬材料中，電子和空穴可以自發(fā)配對形成平衡態(tài)的激子體系，而該領域中的一個長期難題，是區(qū)分已經(jīng)形成配對、卻缺乏宏觀相位相干的激子絕緣體，與能夠支持無耗散集體流動的相干激子凝聚體。判斷的關鍵，在于大量激子之間是否建立了穩(wěn)定的相位關系，可直觀類比為量子波保持協(xié)調(diào)的“步調(diào)”。
 

　　電子—空穴雙層體系為研究這一問題提供了可調(diào)控的平臺：電子與空穴分處相鄰的二維材料層，中間由絕緣層隔開?？臻g分離抑制了兩層之間的單粒子隧穿和電子—空穴復合，使凝聚相位能夠保有獨立的動力學。同時，兩層可以分別連接電極，并通過柵極獨立調(diào)節(jié)載流子密度，便于產(chǎn)生和探測激子輸運。
 

　　盡管激子整體不帶電，組成它的電子與空穴同向運動時，會在兩層產(chǎn)生大小相等、方向相反的電流，這就是層間對流。在電流拖曳實驗中，研究者可以向一層通入電流，并測量另一層的響應；當兩層電流達到這種一比一的反向關系時，便出現(xiàn)“完美庫侖拖曳”效應。
 

　　然而，完美拖曳本身還不能確認激子超流。2025年發(fā)表于《Science》的兩項雙層實驗觀察到了近乎完美的庫侖拖曳，而對流電阻仍然有限。這說明強烈的電子—空穴配對可以先于無耗散超流出現(xiàn)，也促使研究者尋找直接關聯(lián)相位相干性的輸運信號。(Science 388, 274–278；278–283 (2025))
 

　　相干超流在兩個方向具有不同的臨界電流
 

　　這項研究借鑒了超導二極管效應的思路。兩層強度不同的 Rashba 自旋—軌道耦合將載流子的自旋與動量聯(lián)系起來，與磁場共同作用，使能帶在相反方向上不再等價。當空間反演和時間反演對稱性同時破缺時，體系可形成具有有限質(zhì)心動量的激子凝聚態(tài)，其相位在空間中呈規(guī)律性變化。自旋—軌道耦合在這里提供所需的能帶不對稱性，電子—空穴配對仍由庫侖吸引產(chǎn)生。研究者從微觀模型推導出描述凝聚態(tài)的金茲堡—朗道自由能，并由此計算相反方向的超流臨界電流。
 

　　臨界電流是凝聚體在給定方向上能夠維持相干超流的最大電流。理論計算預言，在合適的參數(shù)范圍內(nèi)，兩個方向的臨界電流大小不同。實驗上，可逐漸增大正向和反向的驅動電流，比較近乎完美拖曳平臺(兩層電流大小幾乎相等、方向相反的電流區(qū)間)何時終止：在一個方向，相干對流能維持到更大的電流；反向則更早失穩(wěn)。這種方向依賴的超流臨界電流，被稱為“相干激子二極管效應”。
 

　　超流臨界電流反映了凝聚體維持相干流動的能力，并與相位剛度有關；后者刻畫改變凝聚相位空間分布所需付出的能量代價。因此，測量平臺兩端不同的超流臨界電流，有望區(qū)分僅有配對的非相干激子態(tài)與具有相位相干的凝聚體。普通雙層中的摩擦拖曳也可能出現(xiàn)方向不對稱，但其來源是層間動量傳遞，并不對應這里相干超流的臨界邊界。
 

　　面向實驗探測與調(diào)控
 

　　在論文采用的典型參數(shù)下，微米寬器件的正反向臨界電流差可達十微安量級，有望通過現(xiàn)有電流測量技術分辨。具有合適 Rashba 自旋—軌道耦合的二維半導體異質(zhì)結構是候選平臺，例如上下表面原子組成不同的 Janus 過渡金屬硫族化合物。
 

　　若將工作電流的大小設在兩個方向的臨界值之間，同一器件便有望在一個方向維持相干完美拖曳，在另一個方向進入耗散狀態(tài)。結合柵壓和磁場調(diào)控，這一機制為設計具有方向選擇性的開關與激子電路元件提供了理論依據(jù)。
 

　　本文的第一作者是李政道研究所2023級博士生輝雋驍，通訊作者是李政道研究所和物理與天文學院蔣慶東教授。本研究得到國家自然科學基金、合肥國家實驗室、量子科技創(chuàng)新計劃、上海量子科學研究中心培育項目及上海市科技創(chuàng)新行動計劃的支持。
 

　　引用：上海交大李政道研究所蔣慶東團隊提出相干激子二極管效應為辨別激子凝聚提供新途徑_交大智慧_上海交通大學【引用時間：2026年10月3日】