锁相放大器在黑磷激子绝缘体检测中的应用

南京大学王肖沐、刘波教授团队联合北京理工大学与西北工业大学等研究人员在研究中使用赛恩科学仪器(SSI)的锁相放大器OE1022精确检测受干涉仪调制的微弱光电流。

南京大学王肖沐、刘波教授团队联合北京理工大学与西北工业大学等研究人员，在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表题为“Evidence for excitonic condensation and superfluidity in black phosphorus”的研究成果。该研究利用双栅极控制的少层黑磷(BP)器件，结合傅里叶变换红外光电流光谱技术，成功观测到了黑磷中激子绝缘体(Excitonicinsulator,EI)的形成及其宏观超流体特性的明确证据。研究发现，该激子凝聚态表现出类似巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论的温度依赖性，临界温度约为17K，为探索复合费米子及强关联多体物理提供了全新的实验平台。

激子凝聚是指关联电子-空穴对的自发形成，这种集体状态被称为激子绝缘体，预期能够引发玻色-爱因斯坦凝聚和BCS交叉等引人入胜的多体物理现象。尽管科学家此前已通过测量电荷能隙证实了激子绝缘体的存在，但相关的宏观量子现象(如超流体特性)却极少被直接观测到。其核心痛点在于，产生激子凝聚的窄带隙系统往往伴随着极差的电学接触，这极大地限制了对激子超流体进行直接的电学传输研究与表征。

为克服上述传输测试瓶颈，研究团队创新性地选用了具有强各向同性能带结构的窄带隙半导体——少层黑磷(BP)。即使在极低温度下，BP的窄带隙特性也能维持良好的电学接触。研究人员构建了由六方氮化硼(hBN)封装的双栅极BP器件，通过垂直位移电场(D)和光泵浦技术，实现了对带隙和电子-空穴对密度的独立精准调控。在物理机制上，当通过电场使光激发的BP带隙缩小至低于电子-空穴对的结合能时，单粒子态变得不稳定，自发坍缩成复合玻色子态(即激子凝聚态)。该研究构建了基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光电流光谱仪(FTIR)系统，用于表征非平衡态电子-空穴气的行为。在特定位移电场(如0.16至0.22V/nm)和高光泵浦条件下，光电流光谱发生了极其剧烈的相变：原本表征非平衡态金属相的连续宽带吸收光谱突然消失，转变为单一的峰值吸收(源于空间间接激发)。这种光谱的急剧变化和电荷压缩率(Charge compressibility)的突变，标志着系统从金属相转变为电荷不可压缩的激子绝缘体相。

图1.器件结构与测量装置。

(a)傅里叶变换红外光电流光谱仪系统示意图。

(b)左图：hBN封装的双栅极黑磷(BP)器件横截面。

右图：典型器件的光学显微照片。

BP薄片、石墨烯接触电极和顶部石墨烯栅极用虚线标出。比例尺：20µm。

(c)图(b)中器件的光电流映射图。BP薄片和石墨烯电极用白色虚线标出。

颜色条代表光电流的强度，Vbias =0.8V。

图2.黑磷的傅里叶变换红外光电流光谱。

(a)具有不同层数的BP的典型光电流光谱(任意单位)。光泵浦功率P=0.13W/cm2 ，温度T=5K。顶部面板显示了由傅里叶变换红外光谱仪获得的环境背景。阴影区域代表水分的干扰。为清晰起见，曲线平移了2的倍数。每个激子峰用红色三角形标出。

(b)11层样品在不同光泵浦功率下的光电流光谱。100%P=1300 W/cm2 。

(c)BP能带色散示意图。虚线和实线分别显示本征和高光泵浦下的能带结构。

(d)空间间接激子的能级图解。在面外位移电场作用下，电子和空穴在两个介电界面处积聚。空间间接激发的能量Eic 低于本征激子能量Eex 。

棕色虚线箭头和蓝色虚线箭头对应于图(b)中标记的峰值。

图3.双栅极BP的位移电场依赖性。

(a)在不同固定的顶栅电压Vtg下，BP电导随底栅电压Vbg变化的函数关系。

插图：测量的带隙Eg和计算的激子结合能Eb随D的变化关系。

对于(b)P=130 W/cm2和(c)P=13 W/cm2两种泵浦条件，10层BP的归一化光电流光谱作为位移电场函数的演变过程。

瀑布图显示了沿顶部面板白色虚线选取的、在不同位移电场D下的光电流光谱。

红色光谱显示了激子绝缘体(EI)态。黑色三角形标记了空间间接激发峰。

传输与光电测试进一步证实了该激子凝聚态的超流体特征。在相变发生时，宽频带内(从带边至约1eV)的固有通道光电流伴随激子绝缘体的形成而完全降至噪声基底以下。这种光电流的消失表明，体相BP中束缚的电子-空穴对在外部驱动下并没有解离成自由载流子，而是以无耗散的超流体形式到达电极，从而贡献了净零电流。此外，温度依赖性测试表明，该激子绝缘体状态可以持续到最高17K的临界温度，整体行为与超导体的BCS温度依赖性高度相似。

该研究突破性地利用窄带隙半导体和红外光电流光谱技术证实了激子超流体的存在，展现了零传输电流的宏观相位凝聚优势。这不仅揭示了激子绝缘体中奇异的量子相和不寻常的排序，更为未来探索玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)与BCS交叉、无耗散量子器件、非常规超导机制以及新型光电探测架构提供了实验基础与发展前景。

审核编辑 黄宇