半导体新发现:拓扑激子密度波量子物态

激子是由库仑相互作用束缚的电子-空穴对组成的准粒子，在绝缘体和半导体中都很常见。激子绝缘相首先是诺贝尔奖获得者Mott教授早在上世纪60年代理论上提出并预言，当激子结合能（Eb）大于本征半导体的带隙（Eg）时，会出现激子绝缘相。随后，一些实验组在半导体材料中发现了异常的带隙打开现象，作为激子绝缘相存在的证据。在2017年，北京大学、中国科学院半导体研究所等从实验和理论两方面研究了InAs/GaSb量子阱中的拓扑激子绝缘相，其特征是带隙打开和光谱中独特的双峰结构，这成为了拓扑激子绝缘相的有力证据。然而，由于Eb> Eg的限制，激子绝缘相通常仅出现在窄带隙半导体或半金属中。

图1.拓扑激子绝缘相的计算和类似于超导的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态

二维材料中显著的激子效应和非常大的激子结合能为激子绝缘体的研究带来了新的希望。单层WSe2因其位于Γ点处平的价带和较大的间接能隙，显示出独特的激子特性。间接能隙的存在会导致动量间接激子的形成，与直接激子相比，其激子寿命更长。间接激子可以表现出激子玻色-爱因斯坦凝聚（BECs）和激子超流。间接能隙和Γ点附近的平带，使1T'-WSe2单层成为激子BEC和相关多体效应的绝佳平台。

近日，中国科学院半导体研究所与浙江大学合作通过理论计算在1T'-WSe2单层中发现了拓扑激子绝缘相的存在。研究团队基于第一性原理计算结合Bethe-Salpeter方程（BSE）揭示了拓扑激子绝缘相的存在，激子能带显示出激子能量的最小值向有限动量处移动，形成一个类Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态，这导致了激子密度波的形成。最后，通过Gross-Pitaevskii方程的求解，进一步验证了由于X2激子的两个分支之间的干涉，在BEC区域出现了具有条纹状的激子密度波。该研究的发现为激子关联效应、非平凡拓扑，甚至二维材料中的激子超流提供了新的研究方向。

图2. 非零速度的条纹相的拓扑激子密度波

相关的成果以 “Topological Exciton Density Wave in Monolayer WSe2”为题发表在国际物理学著名学术期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报） [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]上。中国科学院半导体研究所特别研究助理董珊博士和台州学院讲师陈颖达博士为共同第一作者，娄文凯研究员、常凯院士为共同通讯作者。北京理工大学曲宏伟博士也为该工作做出了重要的贡献。

该研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院先导B项目、合肥国家实验室量子科学技术创新计划、中国博士后科学基金站前特别资助等的支持。