激子是由庫侖相互作用束縛的電子-空穴對組成的準粒子，在絕緣體和半導體中都很常見。激子絕緣相首先是諾貝爾獎獲得者Mott教授早在上世紀60年代理論上提出并預言，當激子結(jié)合能（Eb）大于本征半導體的帶隙（Eg）時，會出現(xiàn)激子絕緣相。隨后，一些實驗組在半導體材料中發(fā)現(xiàn)了異常的帶隙打開現(xiàn)象，作為激子絕緣相存在的證據(jù)。在2017年，北京大學、中國科學院半導體研究所等從實驗和理論兩方面研究了InAs/GaSb量子阱中的拓撲激子絕緣相，其特征是帶隙打開和光譜中獨特的雙峰結(jié)構(gòu)，這成為了拓撲激子絕緣相的有力證據(jù)。然而，由于Eb> Eg的限制，激子絕緣相通常僅出現(xiàn)在窄帶隙半導體或半金屬中。

圖1.拓撲激子絕緣相的計算和類似于超導的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)

二維材料中顯著的激子效應(yīng)和非常大的激子結(jié)合能為激子絕緣體的研究帶來了新的希望。單層WSe2因其位于Γ點處平的價帶和較大的間接能隙，顯示出獨特的激子特性。間接能隙的存在會導致動量間接激子的形成，與直接激子相比，其激子壽命更長。間接激子可以表現(xiàn)出激子玻色-愛因斯坦凝聚（BECs）和激子超流。間接能隙和Γ點附近的平帶，使1T'-WSe2單層成為激子BEC和相關(guān)多體效應(yīng)的絕佳平臺。

近日，中國科學院半導體研究所與浙江大學合作通過理論計算在1T'-WSe2單層中發(fā)現(xiàn)了拓撲激子絕緣相的存在。研究團隊基于第一性原理計算結(jié)合Bethe-Salpeter方程（BSE）揭示了拓撲激子絕緣相的存在，激子能帶顯示出激子能量的最小值向有限動量處移動，形成一個類Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)，這導致了激子密度波的形成。最后，通過Gross-Pitaevskii方程的求解，進一步驗證了由于X2激子的兩個分支之間的干涉，在BEC區(qū)域出現(xiàn)了具有條紋狀的激子密度波。該研究的發(fā)現(xiàn)為激子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、非平凡拓撲，甚至二維材料中的激子超流提供了新的研究方向。

圖2. 非零速度的條紋相的拓撲激子密度波

相關(guān)的成果以 “Topological Exciton Density Wave in Monolayer WSe2”為題發(fā)表在國際物理學著名學術(shù)期刊《Physical Review Letters》（物理評論快報） [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]上。中國科學院半導體研究所特別研究助理董珊博士和臺州學院講師陳穎達博士為共同第一作者，婁文凱研究員、常凱院士為共同通訊作者。北京理工大學曲宏偉博士也為該工作做出了重要的貢獻。

該研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院先導B項目、合肥國家實驗室量子科學技術(shù)創(chuàng)新計劃、中國博士后科學基金站前特別資助等的支持。