近日，南開大學副教授鄧時濱和合作者解決了當代凝聚態物理學中的一個關鍵問題——弄清了莫爾激子量子相的相干性和動力學行為。這一發現具有反直覺的意義，挑戰了傳統上“引力使粒子結合、斥力使粒子分散”的觀念。審稿人評價稱：“這一成果原創且重要，為層間激子物理和范德華異質結研究領域提供了全新視角。”總的來說，這一成果首次直接捕捉到了關聯激子的動態過程，拓展了對二維材料中激子相的認識。

圖 | 鄧時濱（來源：鄧時濱）

首次直接觀測并證實一種新穎激子量子現象

鄧時濱告訴 DeepTech，他和合作者首次直接觀測并證實了一種新穎的激子量子現象——激子在形成莫特絕緣態前后的輸運與“凍結”。簡單來說，他們在 WS?/WSe? 的莫爾超晶格中，發現當激子之間存在足夠強的相互排斥力時，它們會陷入一種特殊的絕緣狀態：每個莫爾晶格的格點上恰好禁錮著一個激子，且激子無法像平常那樣在晶格間自由移動，整個激子系統就好比被“鎖住”了一樣。

物理學上把這種每格點單粒子占據狀態稱為“莫特絕緣體”。過去，人們已經在莫爾超晶格的電子系統中觀察到莫特絕緣體，但本次工作在激子這一玻色粒子體系中首次用成像的方式觀察到了類似的莫特絕緣態，并進一步揭示了其動態行為。

更令人驚喜的是，研究團隊觀測到在激子莫特絕緣態形成之后，其內部的激子運動近乎完全停止，保持“凍結”狀態長達70 納秒之久。這聽起來轉瞬即逝，但對微觀粒子來說已經是相當長的時間尺度——這很可能已經足夠進行很多次量子邏輯門操作了。這意味著在這段時間內，激子系統維持著高度有序和穩定的狀態，沒有出現顯著的擴散或運動。

直觀地看，這一現象相當反直覺：通常人們會認為粒子之間相互排斥會把彼此推開、加速擴散，而這里強烈的斥力反而讓粒子原地不動，像被粘住了一樣。打個比方，好比在交通擁堵時，本來車和車相互排斥不想挨在一起，但正因為車不能挨在一起（存在關聯勢能），誰也無法隨意移動位置，結果所有車反而靜止不動了。“斥力導致凝聚”的現象聽上去矛盾，卻正是研究團隊在激子體系里發現的新規律。

為了驗證這一反常現象確實源于激子之間的關聯作用，研究團隊還進行了對比實驗：通過在樣品中引入一定濃度的電子，來削弱激子之間的長程偶極斥力。結果發現，在這種相互作用減弱的情況下，激子的“凍結”現象消失了，激子擴散又變得相對正常起來。這進一步證明了：正是激子間的長程偶極相互作用使莫特絕緣相下的激子運動被抑制。

綜上，本次研究發現的新現象可以概括為：莫爾超晶格中的激子因關聯作用而出現非平衡態凍結。這一發現拓展了研究團隊對激子物理的認知，并提供了嶄新的實驗證據表明：即在固態材料中也能實現類似于超冷原子體系的高度相干、強關聯量子態。換句話說，研究團隊證明了二維半導體異質結構中的激子系統可以像激光冷卻的原子那樣“整齊劃一”地演化達幾十納秒之久。這不僅是激子研究領域的新知識，也為量子模擬和光電子器件研究打開了一扇新大門。

（來源：Nature Materials）

日前，相關論文以《莫瑞超晶格中激子莫特絕緣體的凍結非平衡動力學》（Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices）為題發在 Nature Materials[1]，鄧時濱與Heonjoon Park、Jonas Reimann為共同第一作者，許曉棟、但丁·肯尼斯（Dante Kennes）、黃麗白擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）

有望孕育革命性光電子技術

雖然本次研究主要聚焦于基礎科學問題，短期內不會立刻轉化為某種現成的產品，但其中蘊含的原理在未來具有相當大的應用想象空間。

首先，從電子技術的發展來看，利用不同粒子的特性往往會帶來顛覆性創新。例如，本次工作展現出了精確控制激子集體狀態的能力，這為開發“激子電子學（Excitonics）”器件提供了可能。所謂激子電子學，就是以激子而非電子作為信息載體進行計算或信號處理。激子是電中性的，與電子相比它產生的熱量更低，而且它的生成和湮滅可以通過光來控制。如果有一天人們能在室溫下穩定地制造和操縱激子莫特絕緣態或相關的激子相變，就有望構建全新的低功耗光電器件，比如構建基于激子的存儲單元或開關。

其次，本次成果所使用的研究平臺也是一種量子模擬器的雛形。在量子計算和模擬領域，人們一直希望找到在實驗室中模擬復雜量子體系的方法。超冷原子光學晶格是其中一種方案，而莫爾超晶格提供了另一種更緊湊的固態方案。本次實驗證明，莫爾激子系統可以模擬著名的玻色-哈伯德模型的一些物理行為，而該模型對于理解超流體、超導和莫特絕緣體等均有指導意義。隨著這項技術的發展，人們或許能夠借助莫爾激子體系來模擬和研究其他難以直接觀察的量子現象。這對于加深基礎物理理解，以及為未來量子計算提供實驗平臺，都是很有價值的探索方向。

最后，強關聯激子的研究還有望在光電探測領域產生影響。因為激子對外界環境非常敏感，其相變行為可以用來設計高靈敏度的傳感器。舉例來說，如果某種外部刺激能夠打破激子的凍結狀態，人們就能通過監測激子發光的變化來檢測這一刺激，基于這一原理也許能夠發展出新型光學傳感技術。

總之，目前談本次成果的實際應用還為時尚早，但探索這些新奇激子態本身也為未來技術儲備打開了可能性。也許在五到十年的時間尺度內，人們會看到基于激子關聯態的原型器件出現，從長遠看這一領域有潛力孕育出革命性的光電子技術。

（來源：Nature Materials）

感恩節前后的一個契機

2017 年，鄧時濱剛到美國普渡大學教授黃麗白課題組做博士后時，對方就和鄧時濱商議定下了第一個研究課題：研究過渡金屬硫族化合物（TMDC，Transition - Metal Dichalcogenides）二維半導體疊層異質結中的載流子動力學。當時之所以選擇這個方向，是因為這種異質結有很多有趣的性質，比如可以產生特殊的激子以及豐富的量子效應。

然而，在實際推進過程中，研究團隊遇到了一些挑戰：一方面，高質量異質結樣品的制備很有挑戰性；另一方面，中途也出現了其他令鄧時濱感興趣的課題。這些因素使他的科研方向有所調整。盡管如此，他始終沒有放棄對這一領域的關注，該領域的新進展也常會引起鄧時濱的興趣。

在他持續關注的這些年里，大約從2018 年開始，“莫爾超晶格”（即晶體晶格失配疊加形成的大周期結構）中的強關聯粒子體系成為了凝聚態物理的前沿熱點。不僅電子體系中被發現了一系列奇異的量子相（比如莫特絕緣體、廣義維格納晶體、分數量子霍爾態等），人們也開始設想在這樣的莫爾超晶格中激子這些玻色子是否也能出現類似現象？這一問題令鄧時濱非常興奮，因為如能在固態材料中實現過去僅在超冷原子氣體中觀察到的量子現象，那將是對基礎物理的重大貢獻，并且具有潛在的應用前景。

簡單來說，鄧時濱當時意識到一個重要的科學空白：人們還不了解這些莫爾激子關聯態的動態行為。以往的研究大多是通過光譜等穩態手段“間接”推斷激子態，卻從未直接觀察過激子隨著時間演化時究竟發生了什么。

正是帶著這樣的疑問，黃麗白和鄧時濱著手探索這一方向。幸運的是，研究團隊的想法也得到了同行的支持。2022 年感恩節期間，研究團隊與美國華盛頓大學教授許曉棟開展了一次交流，后者希望本次研究團隊嘗試直接觀測他們正在研究的莫爾超晶格中的激子輸運，這與研究團隊的想法不謀而合。許曉棟非常支持黃麗白和鄧時濱的計劃，不僅提供了寶貴的建議，還表示愿意提供他們精心制備的高質量異質結樣品。同樣地，德國亞琛工業大學的但丁·肯尼斯（Dante Kennes）博士團隊也加入了本次研究團隊，并負責提供理論模型和計算支持。有了這樣的團隊基礎，研究團隊更加確信：如能測量并揭示出關聯激子的動力學過程，就能解決上述的關鍵科學問題，填補領域空白。

有了想法之后，接下來就是準備合適的樣品和實驗條件。許曉棟團隊擅長高質量 WS?/WSe? 異質結的制備，他非常慷慨地表示愿意提供自己團隊的樣品來支持鄧時濱的實驗。到了 2022 年圣誕節前后，研究團隊就收到了從美國西雅圖寄來的樣品。拿到樣品時大家都很激動，馬上開始了初步的光譜測試和光學成像測試。盡管只是試探性實驗，但他們已經隱約看到了有趣的跡象，這更加堅定了讓其進行深入研究的信心。

2023 年農歷新年過后，研究團隊進入技術攻關階段。因為要直接拍攝激子的運動，他們需要使用超快時間分辨的顯微成像設備。當時鄧時濱所在團隊已有一套自制的瞬態光學顯微鏡，但是為了觀測莫爾激子的特殊需求，他們對這套系統做了一系列改造升級。比如，抑制低溫環境下的試驗臺的振動，以及對調控電場的模塊進行自動化改造。由于前期的積累，本次改造非常成功，研究團隊很快就擁有了一套能在低溫下從飛秒到微秒這樣大時間跨度范圍內針對激子分布進行成像的獨特裝置。

有了利器在手，接下來的幾個月里研究團隊興奮地開展實驗。黃麗白在設備機時上給了鄧時濱一些傾斜，鄧時濱和同事們反復在不同條件下激發樣品、記錄激子的瞬態吸收和熒光影像。每次實驗研究團隊都會獲得大量的數據，包括不同激子填充率下光致發光強度隨時間和空間分布變化的“影片”。慢慢地，研究團隊注意到了一些反常的現象：在特定的激子密度下，激子擴散的范圍似乎明顯受到抑制。看到這一苗頭，大家既興奮又謹慎，興奮的是可能捕捉到了新奇的物理效應，謹慎的是還需要排除其他因素的影響。

2023 年下半年，研究團隊的工作重點轉向數據分析和物理圖像的論證。這一步對理解發現至關重要，也頗具挑戰性。研究團隊定期與上文的 Dante 團隊召開線上會議，他們在理論模擬方面經驗豐富，幫助研究團隊建立了一個包含激子長程相互作用的模型。通過將實驗結果和理論模擬進行對比，研究團隊逐漸確認：實驗中激子運動受阻確實是莫特絕緣態形成的標志，而且與模型預言的強相互作用效應高度一致。同時，研究團隊也和許曉棟團隊持續交流，他們提供了更多器件方面的信息，使其對樣品的特性了解得更透徹。經過數月的反復推敲，研究團隊終于理清了所有的數據：例如如何定量提取“凍結”持續的時間、不同激子填充條件下現象有何差異等等。看到實驗和理論能夠相互印證，那一刻大家都非常激動，這意味著研究團隊真正抓到了從未有人見過的動態過程。

（來源：Nature Materials）

“挑戰會倒逼你去創新”

部分研究過程發生于疫情時期，為此鄧時濱也需要平衡家庭和科研。疫情期間實驗室一度關閉，那段時間鄧時濱的個人生活也發生了不少變化，他接連迎來兩個寶寶的出生，成了兩個孩子的父親。為了照顧家人和降低感染風險，鄧時濱減少了去實驗室的次數，把更多精力放在居家辦公上。剛開始他有些擔心進度會受影響，但后來鄧時濱似乎找到了新的節奏：把原本需要在實驗室做的一些重復操作通過編程和硬件改造實現自動化。

由于其所在實驗室的設備大多是他和同事一個零件一個零件搭起來的，自動化程度原本要比商品設備低很多。舉個例子，做成像測量時需要有人在現場不斷調節設備并記錄數據。后來，鄧時濱利用居家的時間寫了代碼，改裝了控制器，讓設備可以按設定好的程序自動運行采集數據，并在此過程中不斷修正偏離。而鄧時濱則可以在家里的電腦上實時監控實驗進展。這樣一來，機器不停地工作，而他即使不在實驗室，也能隨時處理已有數據并思考下一步的實驗方案。就這樣，疫情期間他把實驗設備升級得更加智能和高效。

值得一提的是，研究團隊始終嚴格遵守實驗室的安全規范，確保遠程實驗的每一步都有安全冗余和監控。等到后來研究團隊真正開始做莫爾激子的研究時，這套遠程自動化系統派上了大用場：他們比以前更快地掃描參數，更快地獲取了所需的數據，大大提高了實驗效率，在較短的時間里就完成了論文需要的全部實驗。這件事讓鄧時濱體會很深：有時候生活和工作的挑戰會倒逼你去創新。對他來說，居家帶娃是科研的壓力，但反過來促使他開發出了更聰明的工作方式，最終幫助研究團隊更好地完成了研究。

同時，他還表示：“在這個過程中我要特別感謝我的合作者們和家人的支持，尤其是我的妻子王進瑩，她是一位深耕低維材料電子結構與輸運理論模擬的學者。雖然她并未直接參與這項激子動力學研究，但是她對于電子關聯效應的深刻理解，讓我在分析數據時多了一層理論敏感度。”

例如，她曾提到“二維異質結的拓撲保護機制可能影響激子壽命”，這一觀點雖未直接應用于本次實驗，卻促使研究團隊更加關注體系中的對稱性破缺效應。此外，她也多次建議鄧時濱將自己的實驗設備商品化。

鄧時濱說：“也許在未來的某一天，我真的會這么做吧。而我即便在育兒最忙碌的階段，我和妻子也常常利用哄娃入睡后的間隙交流新知與感悟。這種融于生活的學術對話，讓我們的研究始終貼著領域跳動的脈搏前行。如今，她正在南開大學電光學院帶領團隊探索低維體系的光電特性與應用。”王進瑩也表示：“或許未來某天，我們的研究會像拼圖一樣契合。”鄧時濱認為，這份家庭成員對于科學共有的熱愛，是妻子給予這項研究最珍貴的饋贈。

計劃將時空尺度推進得更極端

2023 年，在本次論文上線之前，鄧時濱回到國內任職。他表示，這項關于關聯激子動力學的工作只是邁出了第一小步，后續還有許多有意思的方向值得深入。目前，鄧時濱就職于南開大學物理學院超快電子顯微鏡實驗室，他在此負責領導一支研究載流子超快顯微成像方向的小團隊。眼下，他和團隊已經搭建了全新一代的超快瞬態顯微成像系統，具有若干前所未及的探測能力。這套設備融合了先進的超快激光與顯微技術，能夠以更多維的方式拍攝材料中的微觀動態。并且，其已能夠更精細地調控實驗條件，比如施加精確可控的電場、溫度和磁場等，從而在更加全面的物理環境下研究激子行為。

另外，鄧時濱所在的大團隊整體實力也非常出色，成員各有所長、密切合作，形成了攻堅克難的合力。團隊建成了國際上最新一代的超快電子顯微鏡，并配有完善的微納器件加工制備與操縱等設備，其設施和實驗條件在國內外處于一流水平。

接下來，鄧時濱計劃利用其所在團隊開發的新設備，深入探究莫爾激子體系中的其他量子相。具體來說，在本次論文之中，他和合作者觀測到了激子莫特絕緣態，那么是否存在與之相對應的“激子超流態”或其他新的激子有序相？因此，他希望通過改變外界條件（例如激子濃度、溫度甚至磁場等），看看能否誘導激子從絕緣態轉變為一種流動性很強的態，就像電子在某些條件下會從絕緣體轉變為超導體一樣。如果能觀測到激子相變的全過程，那將極大加深人們對激子相圖的理解。

同時，他計劃將時空尺度推進得更極端。如前所述，目前能夠看到的激子凍結在幾十納秒的尺度，那么在更短時間（比如皮秒乃至更短）內，激子從光激發到形成關聯態的早期瞬態過程是怎樣的？圍繞這一問題，他希望將電子成像技術與光學技術相結合，突破現有手段的極限。例如，利用超快電子束去捕捉激子在超短時間內的運動軌跡，或結合太赫茲光源探測激子相干性的消散。這些嘗試都有望提供以前從未有過的細節信息。

總的來說，鄧時濱對于未來的科研生涯充滿期待，并希望能夠提出一些對于理解凝聚態物理具有一定意義的新概念。“希望南開大學這個新實驗室在激子物理和超快動力學領域能有它的一席之地，培養出更多優秀學生，在國際上發出我們的聲音。總之，未來可期，我們會腳踏實地，一步一步探索更多未知的領域。”他表示。

參考資料：

Deng, S., Park, H., Reimann, J.et al. Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices.Nat. Mater.24, 527–534 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02135-8