科学家发现全新偶极激子

复旦大学物理学系教授晏湖根、光电研究院青年副研究员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，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，为多体物理等领域拓展了探索空间。11月1日，相关研究发表于《科学》。

图片由研究团队提供。

激子能够对二维半导体材料的物理性质产生显著影响，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，寿命更长，具有相互排斥的作用力，且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。层间激子是一种特殊的偶极激子，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特性。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。

黑磷是一种新型二维材料，具有很高的载流子迁移率、良好的可调控性、面内各向异性等优异物理性能。基于黑磷同质结的特性，研究团队发现的偶极激子既具有固定的电偶极矩，又展现出显著的与光相互作用能力，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。

通过改变入射光的偏振方向，新激子系统能够选择性地激发特定朝向的偶极激子。同时，改变层厚或选择不同的带间跃迁，可以大范围调节激子的共振能量和电偶极矩的大小。传统偶极激子多集中在可见光范围，而这些激子则分布于红外波段，极大拓展了偶极激子的工作波段。

研究团队表示，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，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。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。

相关论文信息：http://doi.org/10.1126/science.adq2977