最近，科学家通过实验证实了原子级薄半导体中的发光粒子有一种非同寻常的运动。他们发现被称为激子的准粒子似乎同时向相反的方向运动。德国德累斯顿工业大学新任命的物理学家Alexey Chernikov教授和他的团队通过在极低温度下使用超快显微镜监测移动激子的光发射揭示了这种量子现象的后果。这些发现将激子多体态的量子输运主题转移到了现代研究的焦点中。这项工作的研究成功已发表在《物理评论快报》杂志上。

Alexey Chernikov和他的团队研究的量子材料只有几个原子薄。由于这些系统中有极强的相互作用，电子聚集在一起形成被称为激子的新状态。激子的行为就像是独立的粒子，能够高效地吸收和发射光。在原子级薄层中，它们从极低温度(如负268摄氏度)到室温都是稳定的。

对于当前为何专注于超薄物质中激子运动的研究项目，Chernikov解释说：“激子可以理解为一种移动的光源。与其他量子力学物体一样，它们结合了波和粒子的特性。其通过原子级薄的晶体传播，这意味着它们可以存储与传输能量和信息，但也可以将它们再次转化为光。这让我们对它们特别感兴趣。”

使用高灵敏光学显微镜可以观察到激子在原子级薄半导体中的快速运动。Chernikov说：“首先，我们对产生激子的材料施加了一个短激光脉冲。然后我们使用超快探测器观察何时何地重新发射光。然而，当我们在非常低的温度下重复这些实验时，准粒子的运动似乎相当惊人。”

到目前为止，科学界广泛了解两种类型的激子运动：激子从一个分子“跳跃”到另一个分子——或者它们像台球一样“经典地”移动，在随机散射事件后改变其方向。Chernikov指出：“然而，在超薄半导体中，激子的行为方式是我们以前从未见过的。唯一可能的解释是激子偶尔会同时沿相反方向穿过闭环。这样的行为实际上是从单个电子中得知的。然而要观察计数这个实验的发光激子——这是非常不寻常的。“

在所有对照实验都证实了该结果后，科学家们开始寻找这一非同寻常观察的原因。来自俄罗斯圣彼得堡Ioffe研究所的研究员Mikhail M. Glazov最近发表的一项理论工作提供了关键见解。Glazov描述了原子级薄半导体中的激子如何确实可以穿过闭合的环状路径并进入叠加态。这意味着激子似乎基本上是同时顺时针和逆时针移动。这种效应是一种纯粹的量子力学现象，经典粒子不会发生这种现象。他们与马尔堡菲利普斯大学的Ermin Malic团队一起，提供了对激子动力学的更多见解，科学家们终于能够追踪到这种不寻常的行为。

在与国际同事的合作中，Alexey Chernikov的团队展示了一种通过实验监测多粒子复合物相互作用运动中的量子力学效应的方法。然而，对激子准粒子的量子输运的研究仍处于起步阶段。此外，Chernikov研究的超薄层材料也可以作为未来新型激光源、光传感器、太阳能电池甚至量子计算机构建块的基础。（编译:Qtech）