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單個雜質原子如何“打破”激子絕緣體中的電子-空穴對

在凝聚態物理中，激子絕緣體是一種宏觀量子態，其中電子和空穴因庫侖吸引而束縛形成激子，并進一步發生相干凝聚。這種玻色子凝聚態為研究關聯量子現象提供了獨特平臺。然而，宏觀的激子相干性是如何在微觀尺度上建立，以及它如何被局域擾動所破壞，一直是實驗上難以捉摸的謎題。近日，華中科技大學付英雙教授、劉超飛副教授和南京大學王銳教授合作，利用掃描隧道顯微鏡/光譜學技術，在激子絕緣體材料Ta?Pd?Te?中，首次實現了對單個雜質原子誘導的“配對破缺”現象的光譜可視化，為理解激子凝聚的微觀機制提供了關鍵線索。相關論文以“Spectral visualization of excitonic pair breaking at individual impurities in Ta2Pd3Te5”為題，發表在Nature Nanotechnology上。

該研究通過原子尺度的隧穿譜學測量，揭示了單個碲空位缺陷能夠在激子能隙內部誘導出一對特征性的亞隙共振峰。這些峰的能量對缺陷構型高度敏感，并可被掃描隧道顯微鏡針尖的電場連續調控，表明其源于可控的雜質散射效應。結合平均場理論模型，研究者確認了這些亞隙態是激子配對破缺的直接光譜指紋，并進一步發現，在電子-空穴嚴重不平衡的區域，會出現第二對能量更低的亞隙態，反映了不同激子序參量之間的復雜相互作用。

研究者首先利用針尖修飾的掃描隧道顯微鏡，在原子尺度上清晰地分辨了Ta?Pd?Te?的(100)解理面。該表面由沿b軸方向延伸的五條碲原子鏈（Te1至Te5）構成，呈現出準一維結構。通過對比無缺陷區域的隧穿譜，他們觀測到一個經低估計算約為85毫電子伏特（光電子能譜測得約100 meV）的絕緣能隙，這與激子雜化形成的能隙特征一致，且譜線形狀隨局域化學環境不同而有所變化，特別是在垂直于碲鏈的方向上表現出周期性調制，印證了材料的各向異性。

圖1 | Ta?Pd?Te?的形貌與隧穿譜 a,b，Ta?Pd?Te?原子結構的三維視圖(a)和俯視圖(b)。標記了Te1-Te5鏈（條紋）。 c,d，在0.4 V偏壓下(100)表面的原子分辨形貌圖(c)及對應的DFT模擬STM圖像(d)。c圖中疊加了表面Ta、Pd和Te原子的原子結構。 e，在Te1-Te5鏈上收集的典型譜線。a.u.，任意單位。 f,g，沿垂直于Te鏈(f)和平行于Te鏈(g)的軌跡采集的空間分辨譜線。

當聚焦于單個碲空位缺陷時，實驗發現其隧穿譜在激子能隙邊緣附近出現了顯著的共振雙峰結構（圖2c）。對不同類型碲空位（VTe1至VTe4）的統計表明，其兩個亞隙峰之間的能量間距（2δ）呈現統計上顯著的不同范圍，最可幾值按VTe? > VTe? > VTe? > VTe?的順序遞增（圖2d），暗示缺陷與材料基體的耦合強度依賴于缺陷構型，這與激子配對破缺態的預期行為一致。通過調節隧穿電流以改變針尖與樣品的距離，研究人員觀察到這些亞隙峰會向能隙邊緣移動，同時峰寬增加、強度不對稱性減弱（圖2e），而完整區域的能隙則輕微增大，說明亞隙態與激子能隙存在內在關聯。理論計算表明，一種包含軌道內和軌道間散射勢的非磁性雜質模型，能夠很好地重現這些實驗現象：當針尖引入的排斥勢減弱了缺陷的有效吸引勢時，亞隙態的行為與實驗觀測完全吻合。

圖2 | 雜質誘導的亞隙態 a,b，一個典型缺陷（VTe?，紅色圓圈）在0.4 V偏壓下的原子分辨形貌圖(a)及對應的DFT模擬STM圖像(b)。 c，在VTe?至VTe?缺陷上收集的譜線（垂直偏移）。圖中同時繪出無缺陷區域的“正?！弊V線以供比較。 d，VTe?至VTe?缺陷的2δ統計直方圖。每種缺陷類型通過高斯擬合（實線）得到的最可幾2δ，即2δ_min，已標出。 e，在固定偏壓Vb=0.1 V時，通過增大隧穿電流It使針尖逼近，測得的VTe?歸一化雜質譜線（VTe?和VTe?的可重復數據見補充圖6）。 f，理論模擬的在雜質位點的局域態密度，顯示了不同雜質散射勢下的亞隙態。 g，VTe?缺陷在不同溫度下的歸一化雜質譜線。虛線表示2 K時譜線的一階導數，用以標示峰位。

為進一步確認亞隙態的本征屬性，研究人員系統測繪了其空間分布。他們發現，與能隙外的連續態在缺陷處呈現抑制不同，亞隙電子態（E?）和空穴態（E?）在缺陷附近形成與形貌吻合的拉長的突起（圖3e, f）。在同一晶軸方向上，E?態和E?態的dI/dV線切割曲線完全重合（圖3g, h），表明電子和空穴分量在空間上被強烈“鎖定”，這正是激子配對破缺態的顯著特征；但沿不同晶軸（c和b方向），其空間展寬則呈現顯著差異（0.6 nm vs 2.5 nm），反映了材料的準一維各向異性。此外，對間距1.3納米的VTe?二聚體的研究顯示，其亞隙態發生劈裂，并呈現出類似成鍵和反鍵軌道的空間分布，直接證明了不同缺陷的配對破缺態之間可以發生電子耦合。

圖3 | 亞隙態的空間分布 a，VTe?缺陷的形貌圖。 b,c，沿a圖中藍色箭頭(b)和紅色箭頭(c)所示軌跡，跨過VTe?記錄的空間分辨譜線。 d-f，對應a圖中VTe?缺陷，在連續態（60 meV）(d)、E?態（10 meV）(e)和E?態（-45 meV）(f)能量下的dI/dV空間映射圖。 g,h，如插圖中所示，沿c方向(g)和b方向(h)跨過VTe?的重新標度的dI/dV線切割。

最后，研究發現材料表面存在電子不均勻性，表現為特征正常態峰位（E?）的差異（圖4b），這對應于不同程度的電子摻雜。在摻雜較弱（E?較大）的I類區域，缺陷僅誘導出靠近能隙邊緣的高能亞隙態；而在摻雜更強、電子-空穴更不平衡的II類區域，缺陷會額外誘導出更靠近費米能的低能亞隙態（圖4f）。理論與實驗均證實，這兩種亞隙態可以共存（圖4i），其源于雜質附近局域抑制和未受擾動的激子序參量所提供的不同隧穿路徑。這種低能亞隙態對溫度和針尖擾動更為敏感，展現出一種次級配對破缺效應的特征。

圖4 | 來自不同激子序參量的亞隙態之間的相互作用 a，帶有電子不均勻性的形貌圖。紅色和黑色圓圈標記了兩種類型的缺陷。 b，在a圖中彩色圓圈缺陷附近的不同無缺陷區域采集的平均高能譜線。特征正常態峰由彩色箭頭標出。 c，I類（紅色）和II類（黑色）區域的E?統計分布。 d,e，在a圖視場中，于E?附近（c圖中箭頭）的110 meV(d)和140 meV(e)能量處采集的dI/dV空間映射圖。 f，在I類和II類區域中VTe?缺陷上獲取的典型譜線，分別顯示高能和低能亞隙E??態。 g，模擬的雜質態密度，分別展示高能（JAA=-0.1 eV, JAB=-0.3 eV）和低能（JAA=-0.5 eV, JAB=-0.4 eV）亞隙態。 h，在I類區域VTe?缺陷上，增大隧穿電流It時亞隙態的演化。虛線為零偏壓參考線。 i，理論與實驗共同表明，高、低能亞隙態可以共存。

該研究不僅在原子尺度上直接可視化了激子配對破缺的局域光譜特征，也為探索其他候選激子絕緣體材料提供了普適性的研究方法。盡管激子絕緣體與超導體在玻色子凝聚上具有相似性，但研究明確指出兩者在譜學對稱性、態密度分布以及對雜質的敏感性上存在本質區別，例如非磁性雜質在激子絕緣體中同樣能導致配對破缺。未來，基于雜質散射的研究框架有望被用于探索激子相干性在微觀層面的建立過程，以及激子版本的渦旋、約瑟夫森效應和非耗散二極管效應等新奇現象。此外，利用碲空位缺陷在原子尺度上局域地打破激子配對并產生離散亞隙態的能力，為開發單光子發射器、原子級存儲器等新型激子光電子器件開辟了可能途徑。