康奈尔大学领导的新研究，通过探索原子级半导体中的激子，为物理学家一个难以实现的目标（高温超流性）指明了方向。由束缚电子-空穴对组成的激子是能够存在于绝缘体和半导体中可移动的能量束。通过使用具有大结合能的激子，研究人员能够将冷凝温度提高一百倍，从大约1开尔文（-272.15℃）到大约100开尔文（-173.15℃），室温大约是295开尔文（22℃）。虽然高温超流性仍有待证明，但这种强大的玻色-爱因斯坦凝聚物可能会促使更明亮、更高效的照明系统，使传统LED相形见绌。
其研究发现现在发表在《自然》期刊上，该研究的主要作者、博士后研究员王泽芳(Zfang Wang，Ph.D.‘18)说：在比早期研究高得多的温度下实现激子凝聚，为在明显不那么严格的实验条件下，探索物质的这一量子阶段提供了一个令人兴奋的机会。量子粒子分为两个基本类别：玻色子和费米子这两类粒子区别在于它们的自旋。玻色子是社会化的人，很高兴被聚集在一起；费米子就像公共汽车上的乘客，不想坐在一起。
一种类型的玻色子是激子，它由两个费米子组成，一个电子与一个电子空穴配对。这是系统中没有电子，设法克服它们的反社会倾向，愉快地附着在其他粒子上。2-D原子双层中的激子质量也很轻，尺寸很小，所以它们可以紧密地堆积在一起（比传统材料中的原子和激子多得多）并集体行为，这可以允许流动而没有粘度或阻力，这些是在较高温度下实现冷凝和超流的理想条件。共同高级作者，艺术与科学学院物理学副教授Kin Fai Mak和工程学院应用和工程物理教授单杰（音译）说：
物质的量子态通常非常脆弱，这就是为什么必须在实验室里将它们降温到非常低的温度，以保护它们并将它们与环境隔离的原因。但是，如果能创造出一种更稳定的物质量子态，它可以在高温，甚至在环境条件下快乐地生活，那么你可以用它做很多事情。其中一个潜在的应用是光电子学，在传统的LED中，激子的行为是独立的，而不是合作的，因为它们不处于凝聚状态。但一旦凝聚，粒子可以集体重组并更有效地产生光子。实际上，可以创造出比传统LED更明亮，更节能的光源。
该研究团队采用了一种明确的“低技术”方法来组装凝聚层：使用透明胶带从晶体上剥离原子的单层，并将它们与电子和空穴重新堆叠间隔约1纳米，并排列成最大限度地吸引形成社交爱好的玻色子。凝聚体的一个突出特性是玻色子可以在没有阻力的情况下流动，这意味着每一层本身就是一个超导体。所以创造高温超导体的另一种途径基本上是制造这种类型的结构，并分别测量每一层上的电阻，看看它是否具有零电阻，科学家们正在进行这种类型的实验。
博科园｜研究/来自：康奈尔大学
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1591-7
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