王枫教授重磅Science：电子空穴双层中的电控层间三激子流体
一、【科学背景】
在凝聚态物理学领域，电子与空穴通过库仑相互作用形成的复合准粒子体系，是探索强关联量子现象的核心载体。这类复合粒子（如激子、三激子、双激子）的集体行为，往往能催生超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）等新奇量子态，为开发下一代量子器件提供基础。其中，三激子（trion）作为由两个电子和一个空穴（2e-1h）或两个空穴和一个电子（1e-2h）组成的三粒子束缚态，因同时兼具玻色子的集体相干性与费米子的自旋关联特性，成为连接单粒子输运与多体量子行为的关键桥梁。
多粒子电子-空穴（e-h）态通常由瞬态光学激发，但由于寿命较短，稳态量子相难以实现。由两层过渡金属二硫化物（TMD）半导体层通过薄层六方氮化硼（hBN）隔开的范德华异质结构，能够构建可控的电子-空穴双层结构。这种构型为探索热平衡状态下的多粒子电子-空穴复合体系提供了新途径。此前，在MoSe2/hBN/WSe₂异质结构中已实现电控层间激子（即相关电子-空穴束缚对），由此观测到层间激子绝缘体（EIs）及完美的库仑拖曳效应。此类激子流体有望形成高温激子凝聚态。理论预测在强耦合极限下，电子-空穴双层结构中存在三粒子与四粒子电子-空穴复合态，可能引发不同类型的量子行为。但遗憾的是，其实验实现始终难以实现。
二、【创新成果】
基于上述挑战，近期加州大学伯克利分校王枫教授团队指出：在量子电子-空穴（e-h）流体中，排斥性与吸引性库仑相互作用的结合可产生多粒子电荷复合体的关联相，例如激子、三激子和双激子。在这项研究工作中，研究人员报告了在范德华异质结构中实现电控层间三激子流体的实验成果。在强耦合e-h双层结构中，电子与空穴自发形成三粒子束缚态—三激子。层间三激子可呈现1e-2h与2e-1h两种构型。实验表明，1e-2h三激子态中的两个空穴形成自旋单重态，其自旋能隙约为1毫电子伏特。通过静电栅控，平衡态可连续调谐为激子流体、三激子流体、激子-三激子混合态或三激子-电荷混合态。
图1 电控电子-空穴流体；© 2025 Science
图1示意性地展示了e-h双层器件。单层MoS2 和单层WSe2被单层或双层hBN隧道势垒隔开。由于II型能带排列，系统中的电子和空穴自然地分别位于MoS2和WSe2层中。这种e-h双层结构为控制和研究强关联玻色-费米混合物提供了一个高度可调的平台。在这项工作中，与以前的研究相比，大大减少了e-h双层器件层间距离，相对于电子-电子和空穴-空穴排斥，增强的e-h吸引有利于三激子体的形成。
图2 层间三激子形成的光谱证据；© 2025 Science
图2提供了三激子形成的光谱证据。三激子体的一个明确标志是它的内部自旋结构：两个相同电荷的粒子必须形成一个自旋单线对才能降低能量。因此，光学跃迁的磁场依赖性可以提供层间三激子的明确光谱特征，观察实验与模拟实验取得了一致性。
图3 可调谐三激子-激子-电荷混合物；© 2025 Science
图4 光激发的高阶多粒子电荷复合物；© 2025 Science
后续实验中，研究人员开展了电控相变实验，他们通过静电栅压调控之后发现，系统可在激子流体、三激子流体、激子-三激子混合态及三激子-电荷混合态之间连续切换，形成可调谐的玻色-费米混合体系。
该研究报告了在范德华异质结构中实现电控层间三激子流体的成功实验，为研究可调谐玻色-费米混合态的关联相提供了研究平台，文章以“Electrically controlled interlayer trion fluid in electron-hole bilayers”为题发表在国际著名期刊《Science》上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，研究人员对处于热平衡的三激子流体的实验认识可能导致对其它奇异量子相的观察。三激子的带电性质导致了强烈的电子间库仑排斥，它们的大质量抑制了动能。库仑能对动能的优势可以驱动系统自发打破连续平移对称性，形成三激子的量子晶体。理论也预测了层间三激子介导的拓扑超导性的可能性。此外，研究人员还演示了由层间三激子、层间激子和未配对电荷的可调混合物组成的玻色-费米混合物。作为二维分子的凝聚态类似物，这些混合物提供了探索量子物理和化学的机会，在强相关区域具有电可调性。总之，该篇文章如同一把精巧的钥匙，打开了一扇通往未知量子世界的新大门。它不仅在实验上实现并证实了理论预言的电控三激子流体，更重要的是，它为科学界提供了一种全新的思路和强大的工具去操控和探索物质的新奇状态。从对基础物理规律的深刻理解，到对未来革命性技术的无限憧憬，这项研究都无疑是一座重要的里程碑，预示着人类在量子材料设计与操控的道路上又迈出了坚实的一步。
文献链接：Electrically controlled interlayer trion fluid in electron-hole bilayers，2025，https://doi.org/10.1126/science.adn45）
本文由LWB供稿。
