图说：90°转角黑磷结构与吸收光谱 采访对象供图
偶极激子因其电子和空穴分离的特性是凝聚态物理领域的重要研究对象，但一直存在难以被观测的问题。最新的《科学》期刊中，复旦大学物理学系晏湖根、光电研究院黄申洋团队与合作者发表成果，发现全新偶极激子显著红外光吸收使其能被光谱轻松检测，为多体物理等领域拓展探索空间。
激子是一种由电子和空穴构成的准粒子，空穴带有正电荷，而电子则带有负电荷。“激子类似于氢原子，但与氢原子相比有更多的调控自由度。”复旦大学物理学系教授晏湖根介绍，氢原子的正电荷和负电荷在空间上紧密“吸引”在一起，但偶极激子的正电荷和负电荷波函数中心在空间上是分离的，这使得激子与激子之间的相互作用效果较强，便于观测到一些有趣的物理现象。
激子能够对二维半导体材料的物理性质产生显著影响，一直是二维材料领域中最活跃的研究前沿之一。
偶极激子则是一种即使无外加电场诱导也具有电偶极矩的激子。在20世纪80年代初，科研人员在耦合双量子阱中首次发现偶极激子，其电子和空穴分别位于两个量子阱中，电偶极矩方向垂直于阱面，具有显著的斯塔克效应。由于电子和空穴波函数在空间上的分离，偶极激子寿命更长，且具有相互排斥的作用力，这些特性使其成为研究玻色-爱因斯坦凝聚、激子超流等多体物理现象的理想研究对象。同时，其与光学微腔耦合形成的激子极化激元具有很强的非线性效应，从而备受研究者关注。
2014年前后，人们在二维范德瓦尔斯异质结中发现了新的偶极激子，即层间激子，其电子和空穴分别位于上下两层。与以往的偶极激子不同，二维材料中的层间激子具备更好的鲁棒性和可调控性，同时继承了二维材料的独特性，如过渡金属硫族化合物中的圆偏光偏振依赖性。更重要的是，通过制备莫尔超晶格，偶极激子也成为了研究强关联态的重要对象，这极大地拓展了强关联物理的研究领域。因此，层间激子已成为二维材料、多体物理和强关联物理等多个领域的研究热点。
然而，由于电子-空穴在空间上波函数的分离，偶极激子与光相互作用能力弱，通常只有在液氦温度等极端实验条件下才能被光学实验观测到，这极大限制了偶极激子更深入的研究与更广泛的应用。虽然研究人员可以借助层间或者量子阱之间的隧穿效应增强偶极激子与光相互作用的能力，但隧穿效应强烈依赖能级的共振，且隧穿情形下的偶极激子往往与普通激子能量相近，在实验上难以将二者完全区分。因此，找到一种基于全新机制的、具有较强与光相互作用能力的偶极激子，对偶极激子研究至关重要。
晏湖根、黄申洋团队与合作者在人为堆叠的旋转角度为90°的黑磷同质结中发现了一种全新的偶极激子。这种激子无需依赖隧穿效应，天然具有强大的与光相互作用能力，甚至在室温下的光学吸收率超过1%，能被红外吸收光谱轻松探测。
“相较于传统材料里面的偶极激子，我们新发现的偶极激子具有多种新奇特性，”复旦大学光电研究院青年副研究员黄申洋介绍道。
图说：电场中的90°转角黑磷同质结
这种偶极激子的生成源于一种独特机制：在90°转角堆叠的黑磷界面上，导带间存在强耦合，而价带几乎无耦合，这使得激子中的电子能够分布于上下两片黑磷中，而空穴则根据入射光的偏振方向，局限于上片或下片。因此，该激子既具有固定的电偶极矩，同时由于电子-空穴波函数的部分重叠，又展现出显著的与光相互作用能力，该特性很好地化解了探测困难这一长期困扰偶极激子研究的问题。黄申洋表示：“即使在室温条件下，偶极激子也能够被稳定探测，有利于偶极激子研究的开展。”
偶极激子的“新奇”特性不仅有助于推动低维度光电探测器、微型光谱仪、可调谐发光器件等新型红外光电器件的研发，还为调控激子-激子相互作用提供了更多自由度，这对多体物理、强关联量子态、非线性激子极化激元等领域的研究具有重要意义。此外，该研究也为探索黑磷中矩形莫尔超晶格的新奇量子现象奠定了实验基础。
晏湖根课题组长期致力于黑磷光电特性与能带调控的研究，前期相关研究成果已发表于《自然·通讯》（5篇）、《物理评论快报》（2篇）、《科学·进展》等期刊，全新偶极激子的发现是晏湖根团队在前期研究工作基础上的又一重要突破。
新民晚报记者 张炯强