1 工作简介

         ——半导体量子物态新突破：发现一种新奇的量子态-拓扑激子密度波激子是由库仑相互作用束缚的电子-空穴对组成的准粒子，在半导体中很常见。激子绝缘相首先是诺贝尔奖获得者Mott教授在上世纪60年代理论上提出并预言，当体系的激子结合能（E_b）大于其自身的带隙（E_g）时，会出现激子绝缘相。随后，一些实验组在半导体材料中发现了异常的带隙打开现象，作为激子绝缘相存在的证据。在2017年，北京大学杜瑞瑞和中国科学院半导体所常凯等人从实验和理论两方面研究了InAs/GaSb半导体量子阱中的拓扑激子绝缘相，其特征是带隙开启和光谱中的独特双峰，这成为了拓扑激子绝缘相的有力证据（Nature Communications 8, 1971, 2017）。然而，E_b > E_g的要求限制了激子绝缘相的发现，只出现在窄带隙半导体中。

近日，浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院常凯院士团队与中国科学院半导体研究所娄文凯研究员团队合作通过理论计算克服了这一持续了半个多世纪的难题并在1T’-WSe₂单层半导体中发现了一种新奇的量子态-拓扑激子密度波的存在。一个有趣的现象是，发现最低能激子位于一个有限动量处，形成类似于超导的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态（图1）。进一步计算，发现了条纹相的拓扑激子密度波的出现。这也是首次在半导体材料中发现了拓扑激子密度波这一奇特的量子现象。研究团队基于第一性原理计算结合Bethe-Salpeter方程（BSE）揭示了拓扑激子绝缘相可以存在于单层1T’-WSe₂半导体中，并且它是非常稳定的，不容易被应力破坏。有趣的是，计算出的激子能带显示出激子能量的最小值向有限动量处移动，形成一个类Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态，这导致了激子密度波的形成。通过Gross-Pitaevskii方程的求解，进一步验证了由于X₂激子的两个分支之间的干涉，在BEC区域出现了具有条纹状的非零速度的激子密度波（图2）。该研究的发现为激子关联效应、非平凡拓扑，甚至半导体材料中的激子超流提供了新的研究思路。为未来新型光电器件、柔性电子设备等前沿科技领域开辟了新的方向。

相关的成果以“Topological Exciton Density Wave in Monolayer WSe₂”为题发表在国际物理学著名学术期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报） [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]上。中国科学院半导体研究所娄文凯研究员和浙江大学常凯院士为共同通讯作者，中国科学院半导体研究所特别研究助理董珊博士（现西北工业大学副教授）和陈颖达博士为共同第一作者，北京理工大学曲宏伟博士也为该工作做出了重要的贡献。

2 主要作者简介

第一作者

董珊，博士，中国科学院半导体研究所“特别研究助理”，现任西北工业大学物理科学与技术学院副教授。

主要从事二维半导体材料电子结构和激子效应的计算研究，深入探讨有效物性调控方法，旨在提高激子绝缘体的转变温度，探索室温下易于实验观测的激子绝缘体和激子密度波，相关研究可为新一代电子器件的设计和应用提供新途径。以第一作者和共同第一作者身份发表论文十余篇，相关成果发表于物理学顶级期刊如 Physical Review Letters、Physical Review B、Laser & Photonics Reviews 等。主持项目包括中国博士后科学基金特别资助（站前）、中国科学院特别研究助理资助、国家自然科学基金理论物理专项、半导体所科技人才推进计划。曾获“北京理工大学优秀研究生标兵”、“北京理工大学优秀毕业生”、“北京理工大学优秀博士育苗基金”、“河南省优秀硕士学位论文”等荣誉。在第六届“凝聚态物质中的激发态”学术会议上获“Excellent Young Scholars”奖。

通讯作者

 娄文凯，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师。

研究方向为凝聚态理论物理、半导体物理。发表SCI论文50余篇，其中PRL 6篇，Nature Nanotechnology 2 篇，Nature Communications 2篇。受邀参加国内外学术会议做邀请报告二十余次，获中国科学院青创进会资助，并被遴选为CPL、CPB、物理学报和中国物理四刊的青年编委会委员，中国物理学会第十六届凝聚态理论与统计物理专业委员会秘书长。主要运用k.p方法，CI构型方法和紧束缚等方法，研究是具有强自旋-轨道耦合低维半导体结构和自旋相关的介观系统中输运特性、新奇物理现象和光电效应。

通讯作者

常凯，浙江大学物理学院讲席教授，博士生导师，中国科学院院士。中国物理学会凝聚态理论与统计物理专业委员会主任，国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）半导体分会（C8）委员。

长期从事半导体物理研究，在Nature子刊和PRL等国际期刊杂志上发表论文200余篇，连续4年当选爱思唯尔（Elsevior）高被引学者。2004年度获国家自然科学二等奖，2013年度获中国物理学会黄昆固体物理和半导体物理科学奖。

3 原文传递

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.066602