右一为文章第一作者黄申洋老师，左一是通讯作者晏湖根老师
近日，我院黄申洋青年副研究员与我校物理学系晏湖根教授团队、吴骅教授团队及上海理工大学杨柯老师，在《科学》杂志上发表了关于一种全新偶极激子的研究成果。该激子以其显著的红外吸收特性在光谱上得以清晰检测，为量子多体物理等前沿研究开辟了新的探索空间。同时，《科学》杂志的视角栏目也对该工作进行了评述并给予了高度评价。我院黄申洋老师为该论文的第一作者，物理学系博士生余博洋和马奕暄为共同第一作者，晏湖根教授为通讯作者。这项研究是光电研究院自成立以来作为第一完成单位在《科学》上发表的首篇论文。
偶极激子是指一种在无外加电场下仍具备电偶极矩的激子结构，首次在20世纪80年代耦合双量子阱中发现。由于其独特的空间分离特性，使电子与空穴分别位于不同量子阱内，因此具有显著的斯塔克效应、较长的寿命和相互排斥作用，成为研究玻色-爱因斯坦凝聚、激子超流等多体物理现象的理想体系。近年来，二维范德瓦尔斯异质结中的层间激子因其具备强鲁棒性与可调性，成为热门研究对象，但因其与光学作用能力弱而限制了其在更广泛的研究与应用。虽然研究人员可以借助层间或者量子阱之间的隧穿效应增强偶极激子与光相互作用的能力，但隧穿效应强烈依赖能级的共振，且隧穿情形下的偶极激子往往与普通激子能量相近，在实验上难以将二者完全区分。因此，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。
黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物之后备受科学界关注的一种新型二维材料。在此次研究中，黄申洋与合作者在人为堆叠并旋转90°的黑磷同质结中发现了一种基于新机制的偶极激子。这种激子无需隧穿效应便可实现与光的强相互作用，甚至在室温下的红外吸收率超过1%，大大提高了其在光学实验中的可观测性。该激子的生成机制独特：黑磷界面上导带强耦合、价带弱耦合的特性使得电子分布于两层黑磷中，而空穴则根据偏振光方向分布在上层或下层。此特性不仅赋予了激子固定的电偶极矩，还使其具备较强的光学相互作用能力，为偶极激子的探测难题提供了新的解决思路。
为重要的是，这种新型偶极激子为研究者带来了新的调控维度。传统层间激子的电偶极矩方向固定，而本系统中通过调整入射光的偏振角度，可选择性地激发特定方向的偶极激子。此外，通过调节黑磷层厚和带间跃迁，可实现激子共振能量及电偶极矩的灵活调控。该类偶极激子主要分布于红外波段，进一步扩展了偶极激子的工作波长范围。
图1 90°转角黑磷结构与吸收光谱。
(A)90°转角黑磷原子结构示意图。（B）90°转角的3+4层红外消光谱。（C）激子吸收强度的偏振角度依赖关系。（D）90°转角黑磷的能带结构示意图。
图2 电场中的90°转角黑磷同质结。
（A）器件示意图（上）和偏振光选择激子朝向的示意图（下）。（B）不同电场下90°转角的3+4层黑磷的消光谱的伪彩图，上图（下图）为入射光偏振沿着4层（3层）黑磷AC晶向。
图3 电偶极矩的层数依赖。
（A）晶格结构与偶极激子的示意图。（B）不同层厚中的偶极激子在电场下的斯塔克位移。（C）不同层数组合中的电偶极矩大小。
图4 偶极激子共振能量的层数依赖。
（A）-（C）不同层数组合中偶极激子的共振能量。（D）二维范德瓦尔斯异质结、同质结中偶极激子的共振能量和电偶极矩大小的分布情况。
新型偶极激子的发现不仅在低维度光电探测器、微型光谱仪及可调谐发光器件等红外应用领域具有重要意义，还为激子-激子相互作用的精细调控、强关联量子态及非线性激子极化激元的研究提供了更多可能性。本研究也为探索黑磷中矩形莫尔超晶格中的新奇量子现象奠定了实验基础。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2977
Perspective评论链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0451
