首次在金属中发现快速移动的激子，造就未来更高速数码通讯
由香港城市大学（城大）的物理学家共同领导的一项研究，首次在金属中发现了可以稳定存在而又能够沿单一路径高速移动的“激子”（excitons）。由于激子可以用光产生而又不带电荷，这项新发现令激子有极大的潜质，成为数据传递器件中，比电子更高速的数码信息载体，造就未来更高速的数码通讯发展。
所谓“激子”，是一种带有一对电子和空穴的特别准粒子（quasi-particles）。当某些物质受光照射并吸收了光子的能量后，物质里的电子（带负电荷）会受到激发并离开了原有位置，升到更高的能量带，因而在原本较低的能量带里留下了一个带正电荷的空穴。空穴和电子之间此时便会相互吸引，处于约束态（“库仑相互作用”︰即电荷之间同极相斥，异极相吸的基本静电力），形成一对电子—空穴，这便是激子（图一）。虽然每一个激子本身都有一个可导电、带负电荷的电子和一个正电荷的空穴，但两者牵引在一起，便令激子彷如一个不带电荷的粒子。
共同带领这项研究的城大物理学系助理教授马均章博士解释︰“当激子的电子跌回空穴位置时，便会以发光的方式来释放能量，所发出的光，便可用作光电器件的数据传输。”他续说︰“相比可自由移动的电子，激子是更佳的数据载体，因为电子的负电荷会窒碍它们防止受干扰的能力，减慢了它们的速度，继而影响传输效率。但是，激子一般都非常不稳定，尤是在金属里。事实上，在我们这次研究之前，要在金属里找到稳定而又高速移动的激子，被视为一件不可能的事。”
研究团队成功在金属里产生、并检测到激子，关键在于找到最佳的检测条件以及选取了具独特特性的金属三硒化钽（tantalum triselenide, TaSe3）。这项研究由城大以及瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）的物理学家共同领导，研究成果已于学术期刊《Nature Materials》上发表，题为“Multiple mobile excitons manifested as sidebands in quasi-one-dimensional metal TaSe3”。联合通讯作者分别是马博士和来自PSI的史明教授和Markus Müller博士，其他合作者包括来自美国罗格斯大学、普林斯顿大学和斯坦福大学等的研究人员。
金属里稳定存在的激子 有望成为未来信息载体
由于激子属电中性兼具能够在固体移动的特性，有望在未来新一代的信息传输科技中发挥重要作用。有别于带负电荷、可自由移动的电子，激子不会受到外部电场或磁场的干扰，以及无惧传送媒介材料本身的缺陷所带来的影响。
“使用激子转送信息，将来可能比我们现时透过自由移动的电子来传送的方法，更为稳定和具效率。”马博士解释说。“虽然过去科学家曾在半导体中发现激子，并且已在实验室用于设计场效应晶体管、光电晶体管、发光二极管和太阳能电池等等，几乎所有透过实验所观测到的激子，都只能很慢地移动，大大限制了它们的信息传输效率。”
更重要的是，在金属里的激子，仍然难以捉摸，过往的相关研究亦很少。这是由于金属里有很多导电的电子可自由移动，减低了电子与空穴之间的吸力效果，形成屏蔽效应，抑制了激子的形成，令到激子很少能够在金属“生存”足够长的时间来进行实际的应用，甚至在实验里亦难以被检测得到。
而以传统的光学实验方法去检测激子，亦面对一些技术的局限。城大与PSI的联合团队便采用了先进和灵敏的“角分辨光电子能谱仪”（angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES）技术，来分析具独特特性的金属三硒化钽的电子能带结构，从而达致这次研究的重大突破，成功在金属里，发现稳定存在的激子，而且那些激子可在金属里高速移动。
拣选金属三硒化钽作实验研究对象
研究团队选择了金属三硒化钽作为寻找激子的研究对象，是考虑到因为它的传导电子密度低，以及令激子湮灭的屏障效果较弱，因而可增加激子的形成。
此外，三硒化钽是由一层层的三角棱柱链组成，每条柱链之间相互平行，柱链由“硒三角柱体”组成，柱体的角是硒，围绕着柱体中间的钽（图二）。由于这些柱链就像高速火车的路轨一样，让激子在上面高速行走，因此，三硒化钽就像一个一维的金属，令激子的传导可以沿着一条轨迹进行。
团队相信，三硒化钽的准一维结构特性，可以提升激子里的电子和空穴之间的吸力，但同时可以令电子和空穴分别身处不同层和柱链，使电子和空穴能够保持距离、不致混为一起，因而能避免激子湮灭，提升激子的寿命。
团队于是透过采用角分辨光电子能谱仪，有系统地记录了三硒化钽的电子结构。他们透过以一束极窄的紫外光照射三硒化钽，令当中的电子受激发，跳到真空，并形成激子（图三），然后以角分辨光电子能谱仪来分析跳到真空的电子的角度和能量，从而掌握激子的存在、结构和移动。
开发出可移动激子的理论模型
在排除各种其他的可能性之后，团队总结认为，金属内稳定地存在可沿着一维方向、高速移动激子这说法，可以很好地解释他们所得的实验结果。他们与PSI的理论物理学家Christopher Mudry教授和Markus Müller博士合作，开发出一套完整的“一维金属中可移动激子”的理论模型，并验证了该理论模型与实验结果非常脗合。
团队亦成功检测到激子至少能以三种形态，在三硒化钽内以高速循晶体链方向移动，而他们的理论模型均可就此作出解释。他们发现，在三硒化钽中产生的激子，具有最少三种不同的内部结构，而这取决于两个因素。第一个是每个空穴究竟是与一个电子还是两个传导电子形成束缚态，若是与两个电子，即由三粒子形成束缚态，称为“trion”；第二个因素是所涉及的空穴和电子是属于同一柱链、并在上面移动，还是两者来自相邻的柱链，若是前者，称为“链内激子”（intrachain exciton），后者则是“链间激子”（interchain exciton）或“链间trion”（interchain trion）。
上述的研究发现意义重大，因这完全打破了以往科学界认为激子难以在金属中存在的想法。研究亦首次展示了，激子能在金属里沿着某一方向高速移动，意味着在应用时能提升数据传输效率。此外，团队更以实验显示，利用钾原子来对材料表面进行“表面电子掺杂”技术，可以操控三硒化钽的某些激子特性。
今次的研究成果，不仅为激子的进一步研究、尤其是在金属里的激子，提供了新的路线图和理论模型，也促进了激子成为未来传导器件中，高速信息传送载体的应用。
“我们的研究为在金属里产生能高速移动、并可调控的激子，开辟新道路。”马博士续说︰“这新方向将可推动研发用来传递光电信息的运算和通讯器件。”
今次研究主要获得香港城市大学、中国国家自然科学基金委员会、瑞士国家科学基金会和中瑞科技合作项目等资助。
DOI number: 10.1038/s41563-022-01201-9
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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