激子可以被操纵用于电子、量子计算应用

混合和匹配二维材料的计算模型使莱斯大学的科学家们意识到，激子——电子和空穴短暂结合时存在的准粒子——可以以新的和有用的方式操纵。这一发现为电子、自旋电子和量子计算应用带来了希望。

研究人员发现了一小组具有相似原子晶格尺寸的二维化合物，当它们放在一起时，将允许激子自发形成。一般来说，当来自光或电的能量将电子和空穴提升到更高的状态时，就会发生激子。

然而，在Rice材料理论家Boris Yakobson和他的团队预测的一些组合中，激子被观察到稳定在材料的基态。根据他们的测定，这些处于最低能态的激子可以凝结成类超流体相。

“‘激子’这个词本身就意味着电子和空穴‘跳跃’到更高的能量中，”Yakobson说。“所有冷系统都处于可能的最低能量状态，所以不存在激子。但我们发现了一个看似矛盾的事实奈维尔莫特60年前:一个激子可以形成并存在于基态的物质系统。”

在评估了数千种可能性后，该团队精确地模拟了23个双层异质结构，它们的层被弱范德华力松散地保持在一条线上，并计算了它们的带隙在彼此相邻时是如何对齐的。带隙定义了电子跃迁的距离，使材料具有半导体性质。完美导体——金属或半金属，如石墨烯——没有带隙。

他们为每种组合制作了相图，这些图使他们能够查看哪种组合最有可能进行实验研究。

“最佳组合由晶格参数匹配来区分，最重要的是，由电子带的特殊位置来形成破碎的间隙，也称为III型，”Yakobson说。

研究人员写道，最稳健的组合可以通过张力、曲率或外部电场施加压力来调整。这可以使激子的相态被调整，以具有玻色-爱因斯坦凝聚体或超导BCS凝聚体的“完美流体”特性。

古普塔说:“在量子凝聚态中，低温下的玻色子粒子占据了集体量子基态。”“这支持了超流和超导等显著的宏观量子现象。”

Kutana补充说:“凝聚态很有趣，因为它们具有奇怪的量子特性，存在于日常生活中，不需要显微镜就能获得，只需要低温。”“因为凝聚态处于可能的最低能量状态，而且由于它们的量子性质，凝聚态不会损失能量，表现为完美的无摩擦流体。

“研究人员一直在寻求在各种固体和气体系统中实现它们，”他说。“这样的系统非常罕见，所以其中有二维材料将极大地扩大我们进入量子世界的窗口，并为使用新的、令人惊叹的设备创造机会。”

最佳组合为锑碲硒与铋碲氯异质双分子层组合;铪-氮-碘与锆-氮-氯;锂铝碲和铋碲碘。

Yakobson说:“除了在每一对中有相似的晶格参数外，化学成分看起来相当不直观。”“如果没有艰苦的定量分析，我们无法预测预期的行为。

“一个人永远不能否认发现意外发现的机会——正如罗伯特·科尔所说，化学就是靠运气——但在任何实验室里，筛选成千上万种材料组合都是不现实的。但从理论上讲，这是可以做到的。”

莱斯大学

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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