日前，清華大學教授熊啟華和團隊發現並證實了激子流體的現象。二維半導體本身已被證明是研究激子物理的良好平台，而本次研究則展示了二維半導體更加豐富的維度。
圖 | 熊啟華（來源：熊啟華）
電子作為信息的載體，承載了現代人類社會信息時代的基石。而激子及其傳輸也能作為信息的載體，原因在於激子具有能谷和自旋的自由度，也可以用來編碼信息。
憑藉較大的激子結合能和諧振子強度，二維半導體材料中的激子可以在室溫之下存在，故能支持室溫之下的電子學和光電子學的應用。
此外，在室溫條件之下與激子流體相關聯的還有一類集體激發，即激子在微腔中形成的激子極化激元，它是一種兼具光屬性與物質屬性的准粒子，具有非平衡態玻色愛因斯坦凝聚現象、超流現象、以及片上超快傳輸現象。
基於激子流體的相關實驗現象，激子流體與激子極化激元凝聚體一樣，都可以利用超快傳輸的特性，來實現超快光開關的應用。
在激子極化激元室溫凝聚體晶格勢場調控、拓撲激子極化激元、以及片上超快光開關的應用上，該團隊已經取得顯著進展。此外，在激子谷霍爾器件上，激子流體也有望找到新的應用。
二維半導體體系中是否存在激子流體行為？
據介紹，在凝聚態物理中有許多種元激發。比如，晶格振動的量子化是聲子，其反映著晶格中原子振動的集體激發；等離激元則是電子集體運動的一種模式，在金屬表面比如石墨烯或金屬納米顆粒則會形成表面等離激元。
在具有帶隙的半導體體系中，光的吸收能讓價帶電子躍遷到導帶。在庫倫相互作用的影響之下，導帶中的電子和價帶中的空穴會形成「類氫原子」束縛態，這就是激子。
激子體現了半導體的激發態特性，並遵從玻色-愛因斯坦統計規律。儘管激子是一個經典概念，然而該領域卻不斷取得激動人心的進展，比如激子絕緣體、激子極化激元非平衡態玻色-愛因斯坦凝聚和超流體、激子凝聚態、激子液滴、莫爾激子等。
近年來，人們在實驗中發現了石墨烯體系的狄拉克電子集體流體行為，給相關領域帶來了廣泛影響。而對於研究極其豐富的激子物理，二維層狀半導體及其異質結能夠提供一個理想的系統。
在微腔耦合體系之中，人們已經發現了極低閾值的微腔激子極化激元凝聚現象。那麼，在二維半導體體系中是否也存在激子的關聯集體效應也就是激子流體行為？以上便是本次研究的背景。
事實上，最初課題組主要想研究激子輸運及其調控。此前，關於二維層狀半導體中激子輸運的現象，已經有其他科研團隊報道過。但是，針對上述現象的研究之前主要集中在擴散區域，即人們發現通過擬合激子發光空間的擴展性，可以推算激子的擴散係數。
然而，該團隊在實驗中觀察到了令人驚訝的光譜學特徵。研究中，他們先是通過柵電壓的調控來抑制帶電激子的發光。這樣一來，由六方氮化硼包覆的二硫化鉬樣品的發光，主要以中性激子發光為主。
其次，他們發現在一定溫度之下比如在大約 150 開爾文以下，樣品的螢光不僅來自激發光斑的位置，而是整個二硫化鉬樣品均會產生均勻且明亮的螢光。
在溫度固定的情況之下，當柵極電壓由正 20 伏逐漸降低到大約負 40 伏時，整個樣品開始被「點亮」。這表明在激子有限的壽命里，激子會迅速擴散到整個樣品全域。
對於這一現象來說，顯然無法使用人們所熟知的激子擴散現象來解釋，因為該尺度已經遠遠大於任何已知的典型擴散長度。
（來源：Nature Nanotechnology）
隨後，課題組對激子輸運行為進行表征。期間，他們追蹤了激子發光在空間上的分布隨溫度的關係、隨激發功率密度的關係、以及隨柵極電壓的關係。
其還發展了泵浦-探測瞬態反射測量方法，系統性地研究了空間輸運距離隨時間的依賴關係。在超快傳輸的區域，平均平方位移（mean squared displacement）會在 1 皮秒尺度之內表現出顯著的平方依賴關係，這一特徵超越了線性區域擴散的特徵以及流體力學的特徵。
該團隊估算激子流體的群速度可以達到 1.8*10^7 m/s，大約是真空中光速的 6%，接近激子極化激元的傳輸群速度，但卻遠遠高於金屬或石墨烯電子的費米速度。
實驗中，課題組還觀察到大約 2 毫電子伏的激子發光藍移，針對超快輸運的物理機制，這一藍移能夠做出定性的解釋。當然，更深入的理論工作和計算工作亟待進行，比如激子-激子以及激子-電子的相互作用，均需考慮到完整的圖像里來。
（來源：Nature Nanotechnology）
做完實驗之後，他們開始尋求理論合作者的支持。來自新加坡南洋理工大學的合作者馬克羅·巴鐵圖（Macro Battiato）教授基於理想流體的納維-斯托克斯方程模擬，很好地復現了螢光強度的空間分布。而利用彈道輸運模型則無法解釋實驗結果。
這一模擬結果支持了激子的流體力學描述。即在穩態激發之下所觀察到的近乎恆定的螢光強度，反映出了激子流體的不可壓縮性。完成理論研究之後，他們開始投稿。
最終，相關論文以《原子層 MoS2 半導體中的超快激子流體流動》（Ultrafast exciton fluid flow in an atomically thin MoS2 semiconductor）為題發在 Nature Nanotechnology[1]，新加坡南洋理工大學博士後安德烈斯·格拉納多斯·德爾·阿吉拉（Andrés Granados del Águila）是第一作者，熊啟華擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
同樣的 5 年，同樣的期刊
數字 5，對於熊啟華是一個特殊的數字。早年間當他還是一名博士後的時候，他做過一項關於納米線場效應電晶體器件集成納米小孔的工作，累計耗時整整五年，最後於 2012 年以封面論文發表在 Nature Nanotechnology。那項研究立項之時，熊啟華還是博士後，等到論文發表時他擔任獨立教職已有 3 年之久。
而本次論文同樣耗時 5 年，也同樣發表在 Nature Nanotechnology。但是，對於這篇論文的第一作者 Andres 博士來說，是一段頗具挑戰的路程。熊啟華說：「因為我和他的合作主要是遠程指導和參與，後期回複審稿意見時他也換了工作單位，開始從事他的第二段博士後研究。我為他的成就而驕傲，但是因為論文直到最近才發出來，這讓他在尋找教職時受到了影響，所以我希望他今年能順利找到教職。」
同時，此次論文也只是一個起點。此前，當課題組把實驗發現放到預印本網站之後，很快就給國內外多個理論小組帶來幫助，即為他們研究二維半導體中激子凝聚體的非常規超流現象帶來了啟發。
「我也收到不少來自國外科學家的郵件，他們向我索要更多的技術細節，以及探討可能的合作。」熊啟華說。
預計未來還有三個值得繼續探索的方向：
其一，從定性和定量兩個角度，釐清激子流體這種集體激發態超快傳輸的動力學行為。比如，釐清此次所觀察到的 2 毫電子伏特的藍移，到底來自哪些排斥相互作用。目前，僅僅依靠單粒子層面的激子-激子相互作用，似乎還不足以解釋這一現象；
其二，探索能否深入完成激子密度-溫度相圖，以及嘗試利用穩態和瞬態光譜學，深入測量相關的物理量。同樣值得探索的問題是，在其他二維半導體體系中，這一新奇的物態是否也存在？
其三，從應用角度來講，片上集成激子光子學和光電子學是一個重要的前景方向，因此也非常值得進一步探索。
告別天花板，回國謀發展
另據悉，熊啟華於幾年前回國加入清華大學，這也是在本次課題的研究中，他只能以遠程方式指導第一作者的主要原因。
事實上，早在 2019 年初他就已經開始過渡。那時，他開始在清華大學物理系建設實驗室。2019 年秋，熊啟華的兒子和女兒分別開始就讀於清華附中國際部七年級和清華附小一年級。
其還表示：「讓我感到很幸運的是回清華工作的決定得到了我夫人的理解和支持。她提出的唯一條件是要養兩隻貓，當然她的願望得到了滿足。孩子們在國內上學也適應得非常好。」
從 2020 年 7 月全職回到清華大學，一晃已經將近 4 年。此前，熊啟華在新加坡南洋理工大學工作將近 12 年，決定攜家人回國不是一個輕鬆的決定。
究其原因來說，他不願意長久待在舒適區。在南洋理工大學工作久了基本也到天花板了，他想做一些更有挑戰性的事兒。而國內研究條件越來越好，也有著數量龐大的願意投身科研的研究生群體，這是在新加坡工作所不具有的優勢。同時，不少學科的國內同行都有非常強的研究團隊，這讓熊啟華總能找到志同道合的合作者。
其次是學生的因素。因為政策變化，他在南洋理工大學工作的後期博士獎學金名額越來越少，而他在清華大學工作每年都有兩名博士獎學金名額。
其表示：「在清華教書育人，我們能和全國最優秀的學生教學相長。儘管壓力很大，可是這個工作所帶來的滿足感和成就感也是令人愉悅的。」
從教 14 年來，熊啟華累計培養 20 位博士、50 多位博士後。如今將近 50 多位活躍在歐美、新加坡、印度和國內高校及科研院所，10 多位在國內拿到了各種青年人才頭銜。
他繼續說道：「在過去 3 年多時間裡，我們很快就在清華大學物理系和北京量子信息科學研究院建立了實驗室，也初步建立了一個有層次的博士研究生隊伍。早期加入的博士研究生很快成長了起來，他們如今已經可以獨立開展研究，並在陸續發表一些出色的論文。」
參考資料：
1.del Águila, A.G., Wong, Y.R., Wadgaonkar, I.et al. Ultrafast exciton fluid flow in an atomically thin MoS2 semiconductor. Nat. Nanotechnol. 18, 1012–1019 (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01438-8