在艺术中，绘画中的负空间与绘画本身一样重要，绝缘材料中也存在类似的情况，其中缺失电子留下的空白空间在决定材料的性能方面发挥着至关重要的作用。 当带负电的电子被光激发时，它会留下一个带正电的空穴。 由于空穴和电子带相反电荷，它们相互吸引并形成键。 由此产生的一对是短暂的，被称为激子[exciton，发音为 exit-tawn]。

近日，加州理工学院的David Hsieh博士领导的一组科学家在光掺杂的反铁磁莫特绝缘体中观察到稳定的哈伯德激子的证据。他们的研究结果发表在Nature Physics上。这一发现不仅为量子物理领域带来新的突破，还可能重塑我们对量子现象的理解。

什么是激子？

激子通常存在于半导体材料中，是当电子和空穴（没有电子）通过静电力相互作用时出现的复合粒子（或准粒子）。激子，类似于氢原子中的质子和电子，短暂存在并已得到充分研究。然而，当我们进入莫特绝缘体领域时，它们的行为会发生变化，莫特绝缘体是违反普通半导体中电子行为的传统规则的材料。

长期以来，人们一直认为哈伯德激子是一种新型准粒子，可能会出现在莫特绝缘体中。但是它们是否真的可以作为稳定的准粒子存在于真实材料中仍然是一个悬而未决的问题。现在，科学家们有实验数据表明答案是肯定的。

技术中的激子

激子是许多技术不可或缺的一部分，例如太阳能电池板、光电探测器和传感器。 它们也是电视和数字显示屏中发光二极管的关键部分。 在大多数情况下，激子对受到电力或静电力的束缚，也称为库仑相互作用。

现在，在《自然物理学》上发表的一项新研究中，加州理工学院的研究人员报告称，检测到的激子不是通过库仑力束缚的，而是通过磁性束缚的。 这是第一个检测这些所谓的哈伯德激子（以已故物理学家约翰哈伯德命名）如何实时形成的实验。

在称为反铁磁莫特绝缘体的材料中，电子（球体）以原子晶格结构组织，使其自旋以交替模式向上（蓝色）或向下（粉色）。 这是能量最小化的稳定状态。 当材料受到光照射时，电子将跳跃到邻近的原子位点，在它曾经驻留的地方留下一个带正电的空穴（暗球）。 如果电子和空穴彼此距离更远，它们之间的自旋排列就会受到干扰——自旋不再指向与其邻居相反的方向，如第二个面板所示——这会消耗能量。 为了避免这种能量损失，电子和空穴倾向于保持彼此靠近。 这是哈伯德激子背后的磁性结合机制。

“使用先进的光谱探针，我们能够实时观察磁束缚激子（哈伯德激子）的产生和衰变，”该研究的主要作者 Omar Mehio（奥马尔·梅希奥博士 '23）说，他是加州理工学院最近的研究生，曾在 与加州理工学院物理学教授 David Hsieh 合作。 梅希奥现在是康奈尔大学卡维利研究所的博士后研究员。

“在大多数绝缘体中，带相反电荷的电子和空穴相互作用，就像电子和质子结合形成氢原子一样，”Mehio 解释道。 “然而，在一种称为莫特绝缘体的特殊材料中，光激发电子和空穴通过磁相互作用结合。”

潜在的应用和实验

研究结果可用于开发新的激子相关技术或激子学，其中激子将通过其磁性进行操纵。

Mehio 表示：“哈伯德激子及其磁性结合机制与传统激子学范式截然不同，为开发传统激子系统根本无法实现的整个新技术生态系统创造了机会。在单一材料中使激子和磁性紧密交织可能会带来利用这两种特性的新技术。”

为了产生哈伯德激子，研究人员将光照射到一种称为反铁磁莫特绝缘体的绝缘材料上。 这些是磁性材料，其中电子自旋以重复、稳定的模式排列。 光激发电子，电子跳跃到其他原子，留下空穴。

“在这些材料中，当电子或空穴穿过晶格时，它们会留下一串磁激发，”Mehio说。 “想象一下，你将一根弹力绳的一端绑在你的朋友身上，另一端绑在你自己身上。 如果你的朋友逃离你，你会感觉到绳子把你拉向那个方向，你就会开始跟随。 这种情况类似于光激发电子和它在莫特绝缘体中留下的空穴之间发生的情况。 对于哈伯德激子，激子对之间的磁激发串起到了与连接你和朋友的绳索相同的作用。”

为了证明哈伯德激子的存在，研究人员使用了一种称为超快时域太赫兹光谱的方法，该方法使他们能够在非常低的能量尺度上寻找激子的非常短暂的特征。

“激子不稳定，因为电子想要回到空穴中，”谢解释道。 “我们有一种方法可以探测这种重组发生之前的短时间窗口，这使我们能够看到哈伯德激子流体是瞬时稳定的。”

可能会带来全新材料技术

哈伯德激子的研究发现不仅仅是量子科研展示，而且对技术进步有着深远的影响。最重要的前景之一在于太阳能领域。激子独特的磁结合可以为提高太阳能电池效率铺平道路，推动太阳能成为全球能源领域的强大竞争者。此外，在高速光通信系统中利用这种现象的潜力可能会改变游戏规则，实现更快、更可靠的光开关和调制器，满足数字时代日益增长的需求。

除此之外，该研究的前景充满了其他可能性。从新颖的光子设备和自旋电子到高灵敏度传感器，哈伯德激子的舞蹈打开了通往大量技术创新的大门。它还为材料科学的进一步探索提供了肥沃的土壤，推动了我们对多体物理学和相关电子材料的理解。

文章来源： 熙翰认知，知兼，cnBeta