首次在金屬中發現快速移動的激子，造就未來更高速數碼通訊
由香港城市大學（城大）的物理學家共同領導的一項研究，首次在金屬中發現了可以穩定存在而又能夠沿單一路徑高速移動的「激子」（excitons）。由於激子可以用光產生而又不帶電荷，這項新發現令激子有極大的潛質，成為數據傳遞器件中，比電子更高速的數碼信息載體，造就未來更高速的數碼通訊發展。
所謂「激子」，是一種帶有一對電子和空穴的特別准粒子（quasi-particles）。當某些物質受光照射並吸收了光子的能量後，物質裡的電子（帶負電荷）會受到激發並離開了原有位置，升到更高的能量帶，因而在原本較低的能量帶裡留下了一個帶正電荷的空穴。空穴和電子之間此時便會相互吸引，處於約束態（「庫侖相互作用」︰即電荷之間同極相斥，異極相吸的基本靜電力），形成一對電子—空穴，這便是激子（圖一）。雖然每一個激子本身都有一個可導電、帶負電荷的電子和一個正電荷的空穴，但兩者牽引在一起，便令激子彷如一個不帶電荷的粒子。
共同帶領這項研究的城大物理學系助理教授馬均章博士解釋︰「當激子的電子跌回空穴位置時，便會以發光的方式來釋放能量，所發出的光，便可用作光電器件的數據傳輸。」他續說︰「相比可自由移動的電子，激子是更佳的數據載體，因為電子的負電荷會窒礙它們防止受干擾的能力，減慢了它們的速度，繼而影響傳輸效率。但是，激子一般都非常不穩定，尤是在金屬裡。事實上，在我們這次研究之前，要在金屬裡找到穩定而又高速移動的激子，被視為一件不可能的事。」
研究團隊成功在金屬裡產生、並檢測到激子，關鍵在於找到最佳的檢測條件以及選取了具獨特特性的金屬三硒化鉭（tantalum triselenide, TaSe3）。這項研究由城大以及瑞士保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）的物理學家共同領導，研究成果已於學術期刊《Nature Materials》上發表，題為“Multiple mobile excitons manifested as sidebands in quasi-one-dimensional metal TaSe3”。聯合通訊作者分別是馬博士和來自PSI的史明教授和Markus Müller博士，其他合作者包括來自美國羅格斯大學、普林斯頓大學和史丹福大學等的研究人員。
金屬裡穩定存在的激子 有望成為未來信息載體
由於激子屬電中性兼具能夠在固體移動的特性，有望在未來新一代的信息傳輸科技中發揮重要作用。有別於帶負電荷、可自由移動的電子，激子不會受到外部電場或磁場的干擾，以及無懼傳送媒介材料本身的缺陷所帶來的影響。
「使用激子轉送信息，將來可能比我們現時透過自由移動的電子來傳送的方法，更為穩定和具效率。”馬博士解釋說。“雖然過去科學家曾在半導體中發現激子，並且已在實驗室用於設計場效應晶體管、光電晶體管、發光二極管和太陽能電池等等，幾乎所有透過實驗所觀測到的激子，都只能很慢地移動，大大限制了它們的信息傳輸效率。」
更重要的是，在金屬裡的激子，仍然難以捉摸，過往的相關研究亦很少。這是由於金屬裡有很多導電的電子可自由移動，減低了電子與空穴之間的吸力效果，形成屏蔽效應，抑制了激子的形成，令到激子很少能夠在金屬「生存」足夠長的時間來進行實際的應用，甚至在實驗裡亦難以被檢測得到。
而以傳統的光學實驗方法去檢測激子，亦面對一些技術的局限。城大與PSI的聯合團隊便採用了先進和靈敏的「角分辨光電子能譜儀」（angle-resolved photoemission spectroscopy，ARPES）技術，來分析具獨特特性的金屬三硒化鉭的電子能帶結構，從而達致這次研究的重大突破，成功在金屬裡，發現穩定存在的激子，而且那些激子可在金屬裡高速移動。
揀選金屬三硒化鉭作實驗研究對像
研究團隊選擇了金屬三硒化鉭作為尋找激子的研究對像，是考慮到因為它的傳導電子密度低，以及令激子湮滅的屏障效果較弱，因而可增加激子的形成。
此外，三硒化鉭是由一層層的三角棱柱鏈組成，每條柱鏈之間相互平行，柱鏈由「硒三角柱體」組成，柱體的角是硒，圍繞著柱體中間的鉭（圖二）。由於這些柱鏈就像高速火車的路軌一樣，讓激子在上面高速行走，因此，三硒化鉭就像一個一維的金屬，令激子的傳導可以沿著一條軌跡進行。
團隊相信，三硒化鉭的准一維結構特性，可以提升激子裡的電子和空穴之間的吸力，但同時可以令電子和空穴分別身處不同層和柱鏈，使電子和空穴能夠保持距離、不致混為一起，因而能避免激子湮滅，提升激子的壽命。
團隊於是透過採用角分辨光電子能譜儀，有系統地記錄了三硒化鉭的電子結構。他們透過以一束極窄的紫外光照射三硒化鉭，令當中的電子受激發，跳到真空，並形成激子（圖三），然後以角分辨光電子能譜儀來分析跳到真空的電子的角度和能量，從而掌握激子的存在、結構和移動。
開發出可移動激子的理論模型
在排除各種其他的可能性之後，團隊總結認為，金屬內穩定地存在可沿著一維方向、高速移動激子這說法，可以很好地解釋他們所得的實驗結果。他們與PSI的理論物理學家Christopher Mudry教授和Markus Müller博士合作，開發出一套完整的「一維金屬中可移動激子」的理論模型，並驗證了該理論模型與實驗結果非常脗合。
團隊亦成功檢測到激子至少能以三種形態，在三硒化鉭內以高速循晶體鏈方向移動，而他們的理論模型均可就此作出解釋。他們發現，在三硒化鉭中產生的激子，具有最少三種不同的內部結構，而這取決於兩個因素。第一個是每個空穴究竟是與一個電子還是兩個傳導電子形成束縛態，若是與兩個電子，即由三粒子形成束縛態，稱為「trion」；第二個因素是所涉及的空穴和電子是屬於同一柱鏈、並在上面移動，還是兩者來自相鄰的柱鏈，若是前者，稱為「鏈內激子」（intrachain exciton），後者則是「鏈間激子」（interchain exciton）或「鏈間trion」（interchain trion）。
上述的研究發現意義重大，因這完全打破了以往科學界認為激子難以在金屬中存在的想法。研究亦首次展示了，激子能在金屬裡沿著某一方向高速移動，意味著在應用時能提升數據傳輸效率。此外，團隊更以實驗顯示，利用鉀原子來對材料表面進行「表面電子摻雜」技術，可以操控三硒化鉭的某些激子特性。
今次的研究成果，不僅為激子的進一步研究、尤其是在金屬裡的激子，提供了新的路線圖和理論模型，也促進了激子成為未來傳導器件中，高速信息傳送載體的應用。
「我們的研究為在金屬裡產生能高速移動、並可調控的激子，開辟新道路。」馬博士續說︰「這新方向將可推動研發用來傳遞光電信息的運算和通訊器件。」
今次研究主要獲得香港城市大學、中國國家自然科學基金委員會、瑞士國家科學基金會和中瑞科技合作項目等資助。
DOI number: 10.1038/s41563-022-01201-9