大家对康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授这对神仙夫妻档应该都不陌生了吧。目前，两人同在康奈尔大学从事二维量子材料的主要研究方向。他们已经发表了10篇正刊和近30篇Nature大子刊（Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics）。今日，他们的最新成果再次发表在Science上，接下来，让我们一起来膜拜这对神仙眷侣最新的工作。
单杰教授（左）和麦健辉教授（右）
原子双层中平衡“三激子液体”问世
在凝聚态物理中，“量子液体”长期是研究者探索的前沿舞台。由电子（e）与空穴（h）相互作用形成的复合粒子(如激子、三激子（trion）)被视为通往新奇量子态的关键媒介。然而，过去几十年中，人们只能在外部光激发条件下短暂地观察到三激子态，尚未在热力学平衡体系中实现其稳定存在。其核心难题在于：电子-空穴复合物在固体中寿命极短，极易湮灭；而要在电荷平衡条件下稳定“多体”束缚态，需要同时精确调控电荷密度与层间库仑耦合。随着过渡金属二硫化物（TMD）双层异质结体系的成熟，研究者终于看到了突破口。这一体系能在原子尺度上实现电子与空穴层的独立调控，为“电中性多体量子液体”的实现铺平了道路。
今日，康奈尔大学单杰教授与麦健辉（Kin Fai Mak）教授团队首次在原子双层体系中实现平衡三激子液体（equilibrium trion liquid）。研究人员利用MoSe₂/ WSe₂双层体系，通过电调控使WSe₂层中空穴密度为MoSe₂层电子密度的两倍（p = 2n），在此条件下稳定生成了束缚能达数毫电子伏（meV）级的平衡三激子液体。更令人兴奋的是，团队发现该体系可通过调节载流子密度或外加磁场实现三激子液体–等离子体量子相变，并揭示了三激子态中的自旋单线态（spin-singlet）关联。这一发现为探索复合粒子主导的强关联量子相提供了新的实验平台，或将催生“Trion金属”“Trion晶体”等新型多体量子态。相关成果以“An equilibrium trion liquid in atomic double layers”为题发表在《Science》上。
原子双层的构建与测量策略
研究团队搭建了一个精密的双栅控装置（图1c），其中MoSe₂和WSe₂单层材料由厚度仅1.5–2 nm的六方氮化硼（hBN）绝缘层隔开。顶部与底部电极由石墨电极和hBN介质组成，确保体系具备电荷独立可调性与强层间耦合。通过调节外加电压Vb与栅压Vg，研究者实现了对电子-空穴对密度（npair）的精确控制。当WSe₂层空穴密度为MoSe₂电子密度的两倍时（p = 2n），体系中出现了新的电输运行为——在低温（1.5 K）下，样品电阻突然升高，表征出一种具有电荷不可压缩性的绝缘态（图1e–f）。这标志着三激子（trion）束缚态的形成：每两个空穴与一个电子结合，形成电中性的“正三激子”。
图1：MoSe₂/WSe₂双层结构与测量电路示意
平衡三激子液体的形成与相变特征
为验证三激子液体的存在，研究者系统测量了沿p = 2n线的电阻随温度与电压的变化关系（图2a,b）。在极低温（0.02 K）下，体系呈现明显的金属-绝缘体转变：当Vb超过阈值0.86 V时，电阻骤升并在低温下增强，表明三激子态逐渐形成。进一步升高Vb，体系又恢复金属行为，意味着三激子被离化为电子-空穴等离子体。通过热激活拟合，团队得到三激子的有效束缚能约为0–3 meV，仅为激子束缚能（≈40 meV）的几分之一（图2c–d）。这意味着三激子液体在远低于费米温度（约5 K）的条件下依然保持稳定，是一种真正意义上的“平衡量子液体”。有趣的是，当三激子密度超过临界值（≈3.75×10¹¹ cm⁻²）时，束缚能连续消失，体系转化为自由的电子-空穴等离子体。这一连续相变揭示了由密度调控的量子临界行为，类似金属-绝缘体转变的多体版本（图2d）。
图2：不同温度与密度下的电阻响应，揭示三激子液体–电子-空穴等离子体的密度调控相变
自旋单线态关联的直接证据
为了揭示三激子内部的自旋结构，研究者进一步开展了磁光圆二色（MCD）测量。在外磁场B = 0.2 T下，WSe₂层的MCD信号在p = 2n区域明显被抑制（图3a,b），表明体系的磁化率急剧下降。随着温度升高，磁化率恢复至常值（图3c），说明该抑制仅在低温下存在——即三激子形成区间。综合分析表明：两个空穴形成自旋单线态（spin-singlet），与电子形成束缚三激子。只有当外磁场或热能足以打破这一关联时，体系才重新表现出自旋极化。研究估算，这种自旋关联对应的能量约为1 meV，与三激子束缚能量级一致。更高磁场（3–4 T）即可使体系自旋极化并诱导三激子解离。
图3：磁光圆二色信号表征自旋单线态关联，显示低温下的磁化率抑制与自旋配对特征
磁场诱导的三激子解离与量子相变
当外加磁场进一步增强时，研究者在R–B–Vb三维映射图中观察到惊人的变化（图4a）。在约5特斯拉以上，原本的绝缘态突然转变为金属态，并出现清晰的量子振荡——意味着三激子液体被完全解离为电子-空穴等离子体。该转变与前述自旋单线态的破坏高度一致：Zeeman能量超过三激子束缚能后，所有空穴自旋被极化，三激子被打破。值得注意的是，随着三激子密度增加，其束缚能下降，所需的临界磁场也随之减小（图4b,c）。这一“磁场诱导相变”不仅验证了三激子液体的真实存在，也为研究强耦合多体系统的量子相边界提供了实验范例。未来或可进一步观察到Trion霍尔效应、三激子朗道量子振荡等全新输运现象。
图4：磁场诱导三激子解离的实验结果，展示从绝缘态到金属态的转变及Landau量子振荡
总结与展望
这项研究首次在实验上实现并调控平衡态三激子液体，不仅刷新了人们对电子-空穴体系的理解，也为“多体束缚”提供了全新的物理图景。作者通过精密的双层TMD结构设计和电场调控，揭示了三激子液体的形成机制、自旋关联特征及其在磁场下的解离过程。未来，三激子液体体系有望成为研究多体量子相互作用、非常规超导及复合粒子凝聚态的重要平台。正如论文所言，这一发现为“Trion量子液体物理”打开了新的篇章，也为实现多体准粒子主导的新型电子器件提供了方向。
来源：高分子科学前沿
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