1 工作简介

         ——半导体中新的准粒子：“四子”的发现

“准粒子”或“元激发”是半导体和凝聚态物质的核心概念，他们是现代量子场理论理解和解释各种材料特性的基石，每一个已知的准粒子也在半导体的物理性质、器件应用中起着独特的作用。 因此寻找并验证任何新的准粒子都将极有可能革新半导体物理的基础，带来颠覆性器件应用。

在半导体光电子学中，由一对电子和空穴构成的两体准粒子——激子，是理解材料光学及电学性质的核心概念。两个激子可结合形成激子分子，称为双激子，类似氢分子。迄今为止的半导体中普遍认为，2个电子和2个空穴只能形成所谓的“双激子”，而没有考虑其它四体组态的可能。但最近深圳技术大学和清华大学宁存政教授团队研究发现二维半导体中存在一种真正的四体量子实体“quadruplon”（四子），与双激子不同，这种新的四子不能再约化为两个激子的组合（图1），也无需激子的存在。类似的不可约四体复合粒子此前只在大型高能加速器实验中观察到，在一般凝聚态物质如半导体中还从未发现（图1）。

团队采用超快泵浦-探测光谱技术，在单层碲化钼的激子峰低能量侧发现了六个新的吸收峰，明显不同于往常在此类材料中所观测到的激子、三子、和双激子等光谱特征（图2）。掺杂、泵浦强度、以及温度依赖等系统的测试结果表明这些新的吸收峰来源于材料的内禀性质。而传统的激子、三子、双激子等理论无法解释这些新的谱特征。通过现代的量子多体理论技术，基于Bethe-Salpeter方程框架完整考虑2电子-2空穴间所有可能的相互作用项，这些研究者发现他们的理论结果可完美复现所有关键实验特征。

团队进一步利用费曼图技术建立了四体方程与集团展开模型之间的联系（图3），发现只有当模型完整包含四阶不可约关联时，理论才能完美解释实验，从而从理论和实验上证明了存在四体不可约关联实体，即四子。作为全新的准粒子，四子的发现将极可能为低阈值激光，光量子信息与计算等前沿半导体光学应用创造前所未有的机遇。

该实验与理论相互验证的成果以“单层半导体中的四子”（The quadruplon in a monolayer semiconductor）为题，于2025年3月26日发表于国际光学顶刊《eLight》，另有完整的理论结果已另行发表。

2 原文传递