二维半导体本身已被证明是研究激子物理的良好平台，而本次研究则展示了二维半导体更加丰富的维度。

　　电子作为信息的载体，承载了现代人类社会信息时代的基石。而激子及其传输也能作为信息的载体，原因在于激子具有能谷和自旋的自由度，也可以用来编码信息。

　　凭借较大的激子结合能和谐振子强度，二维半导体材料中的激子可以在室温之下存在，故能支持室温之下的电子学和光电子学的应用。

　　此外，在室温条件之下与激子流体相关联的还有一类集体激发，即激子在微腔中形成的激子极化激元，它是一种兼具光属性与物质属性的准粒子，具有非平衡态玻色爱因斯坦凝聚现象、超流现象、以及片上超快传输现象。

　　基于激子流体的相关实验现象，激子流体与激子极化激元凝聚体一样，都可以利用超快传输的特性，来实现超快光开关的应用。

　　在激子极化激元室温凝聚体晶格势场调控、拓扑激子极化激元、以及片上超快光开关的应用上，该团队已经取得显著进展。此外，在激子谷霍尔器件上，激子流体也有望找到新的应用b体育。

　　据介绍，在凝聚态物理中有许多种元激发。比如，晶格振动的量子化是声子，其反映着晶格中原子振动的集体激发；等离激元则是电子集体运动的一种模式，在金属表面比如石墨烯或金属纳米颗粒则会形成表面等离激元。

　　在具有带隙的半导体体系中，光的吸收能让价带电子跃迁到导带。在库伦相互作用的影响之下，导带中的电子和价带中的空穴会形成 类氢原子 束缚态，这就是激子。

　　激子体现了半导体的激发态特性，并遵从玻色 - 爱因斯坦统计规律。尽管激子是一个经典概念，然而该领域却不断取得激动人心的进展，比如激子绝缘体、激子极化激元非平衡态玻色 - 爱因斯坦凝聚和超流体、激子凝聚态、激子液滴、莫尔激子等。

　　近年来，人们在实验中发现了石墨烯体系的狄拉克电子集体流体行为，给相关领域带来了广泛影响。而对于研究极其丰富的激子物理，二维层状半导体及其异质结能够提供一个理想的系统。

　　在微腔耦合体系之中，人们已经发现了极低阈值的微腔激子极化激元凝聚现象。那么，在二维半导体体系中是否也存在激子的关联集体效应也就是激子流体行为？以上便是本次研究的背景。

　　事实上，最初课题组主要想研究激子输运及其调控。此前，关于二维层状半导体中激子输运的现象，已经有其他科研团队报道过。但是，针对上述现象的研究之前主要集中在扩散区域，即人们发现通过拟合激子发光空间的扩展性，可以推算激子的扩散系数。

　　然而，该团队在实验中观察到了令人惊讶的光谱学特征。研究中，他们先是通过栅电压的调控来抑制带电激子的发光。这样一来，由六方氮化硼包覆的二硫化钼样品的发光，主要以中性激子发光为主。

　　其次，他们发现在一定温度之下比如在大约 150 开尔文以下，样品的荧光不仅来自激发光斑的位置，而是整个二硫化钼样品均会产生均匀且明亮的荧光。

　　在温度固定的情况之下，当栅极电压由正 20 伏逐渐降低到大约负 40 伏时，整个样品开始被 点亮 。这表明在激子有限的寿命里，激子会迅速扩散到整个样品全域。

　　对于这一现象来说，显然无法使用人们所熟知的激子扩散现象来解释电路知识，因为该尺度已经远远大于任何已知的典型扩散长度。

　　src=图 反常激子输运行为。（a）激子色散关系示意图和光锥相互作用图像；（b）激子和带电激子的光谱随背栅电压的反射二维图谱。可以看出，在 -40 伏特以下，样品发光主要由激子主导，带电激子被有效压制；（c）器件的实际光学照片和示意图；（d-e）不同背栅电压下的 20 K 荧光图像，分别为 0 伏和 -60 伏。可以清楚看到，在 -60 伏背栅情形下，整个样品发出均匀的荧光（来源：Nature Nanotechnology）

　　随后，课题组对激子输运行为进行表征。期间，他们追踪了激子发光在空间上的分布随温度的关系、随激发功率密度的关系、以及随栅极电压的关系。

　　其还发展了泵浦 - 探测瞬态反射测量方法，系统性地研究了空间输运距离随时间的依赖关系。在超快传输的区域，平均平方位移（mean squared displacement）会在 1 皮秒尺度之内表现出显著的平方依赖关系，这一特征超越了线性区域扩散的特征以及流体力学的特征。

　　该团队估算激子流体的群速度可以达到 1.8*10^7 m/s，大约是线%，接近激子极化激元的传输群速度，但却远远高于金属或石墨烯电子的费米速度。

　　实验中，课题组还观察到大约 2 毫电子伏的激子发光蓝移，针对超快输运的物理机制，这一蓝移能够做出定性的解释。当然，更深入的理论工作和计算工作亟待进行，比如激子 - 激子以及激子 - 电子的相互作用，均需考虑到完整的图像里来。

　　src=图 激子流体长程和非线性输运。左图（a-c）：图一（d-e）样品的归一化荧光强度随空间的分布图，分别为背栅电压、泵浦功率密度和温度的依赖关系，清晰展示了阈值效应；右图（a-c）：分别为平均平方位移随时间依赖关系、激子流体短程和长程相互作用示意图、和激子流体荧光展现的蓝移。（来源：Nature Nanotechnolob体育gy）

　　做完实验之后，他们开始寻求理论合作者的支持。来自新加坡南洋理工大学的合作者马克罗 · 巴铁图（Macro Battiato）教授基于理想流体的纳维 - 斯托克斯方程模拟，很好地复现了荧光强度的空间分布。而利用弹道输运模型则无法解释实验结果。

　　这一模拟结果支持了激子的流体力学描述。即在稳态激发之下所观察到的近乎恒定的荧光强度，反映出了激子流体的不可压缩性。完成理论研究之后，他们开始投稿。

　　数字 5，对于熊启华是一个特殊的数字。早年间当他还是一名博士后的时候，他做过一项关于纳米线场效应晶体管器件集成纳米小孔的工作，累计耗时整整五年，最后于 2012 年以封面论文发表在 Nature Nanotechnology。那项研究立项之时，熊启华还是博士后，等到论文发表时他担任独立教职已有 3 年之久。

　　而本次论文同样耗时 5 年，也同样发表在 Nature Nanotechnology。但是，对于这篇论文的第一作者 Andres 博士来说，是一段颇具挑战的路程。熊启华说： 因为我和他的合作主要是远程指导和参与，后期回复审稿意见时他也换了工作单位，开始从事他的第二段博士后研究。我为他的成就而骄傲，但是因为论文直到最近才发出来，这让他在寻找教职时受到了影响，所以我希望他今年能顺利找到教职。

　　同时，此次论文也只是一个起点。此前，当课题组把实验发现放到预印本网站之后，很快就给国内多个理论小组带来帮助，即为他们研究二维半导体中激子凝聚体的非常规超流现象带来了启发。

　　我也收到不少来自国外科学家的邮件，他们向我索要更多的技术细节，以及探讨可能的合作。熊启华说。

　　其一，从定性和定量两个角度，厘清激子流体这种集体激发态超快传输的动力学行为。比如，厘清此次所观察到的 2 毫电子伏特的蓝移，到底来自哪些排斥相互作用。目前，仅仅依靠单粒子层面的激子 - 激子相互作用，似乎还不足以解释这一现象；

　　其二，探索能否深入完成激子密度 - 温度相图，以及尝试利用稳态和瞬态光谱学，深入测量相关的物理量。同样值得探索的问题是，在其他二维半导体体系中，这一新奇的物态是否也存在？

　　其三，从应用角度来讲，片上集成激子光子学和光电子学是一个重要的前景方向，因此也非常值得进一步探索。

　　另据悉，熊启华于几年前回国加入清华大学，这也是在本次课题的研究中，他只能以远程方式指导第一作者的主要原因。

　　事实上，早在 2019 年初他就已经开始过渡。那时，他开始在清华大学物理系建设实验室。2019 年秋半导体，熊启华的儿子和女儿分别开始就读于清华附中国际部七年级和清华附小一年级。

　　其还表示： 让我感到很幸运的是回清华工作的决定得到了我夫人的理解和支持。她提出的唯一条件是要养两只猫，当然她的愿望得到了满足。孩子们在国内上学也适应得非常好。

　　从 2020 年 7 月全职回到清华大学，一晃已经将近 4 年。此前，熊启华在新加坡南洋理工大学工作将近 12 年，决定携家人回国不是一个轻松的决定。

　　究其原因来说，他不愿意长久待在舒适区。在南洋理工大学工作久了基本也到天花板了，他想做一些更有挑战性的事儿。而国内研究条件越来越好，也有着数量庞大的愿意投身科研的研究生群体，这是在新加坡工作所不具有的优势b体育。同时，不少学科的国内同行都有非常强的研究团队，这让熊启华总能找到志同道合的合作者。

　　其次是学生的因素。因为政策变化，他在南洋理工大学工作的后期博士奖学金名额越来越少，而他在清华大学工作每年都有两名博士奖学金名额。

　　其表示： 在清华教书育人，我们能和全国最优秀的学生教学相长。尽管压力很大，可是这个工作所带来的满足感和成就感也是令人愉悦的。

　　从教 14 年来，熊启华累计培养 20 位博士、50 多位博士后。如今将近 50 多位活跃在欧美、新加坡、印度和国内高校及科研院所，10 多位在国内拿到了各种青年人才头衔。

　　他继续说道： 在过去 3 年多时间里，我们很快就在清华大学物理系和北京量子信息科学研究院建立了实验室，也初步建立了一个有层次的博士研究生队伍。早期加入的博士研究生很快成长了起来，他们如今已经可以独立开展研究，并在陆续发表一些出色的论文。

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