物理学家预测新激子类型的存在

俄克拉荷马大学凝聚态物理学教授布鲁诺·乌乔亚和凝聚态物理学博士后研究员谢宏毅在《美国科学院院刊》上发表了一项研究成果，预测了一种新型激子的存在。这些粒子可能会推动未来量子设备的进步。

当电子和它们形成的空穴(带相反电荷)结合在一起时，就会产生激子。激子早已在绝缘体和半导体中被观察到，而这些材料是现代计算机的动力来源。在这篇文章中，Uchoa 和 Xie 预测了一种具有有限涡度的新型激子，称为“拓扑激子”，存在于一种被称为陈绝缘体的材料中。

拓扑学是数学的一个分支，研究形状和表面的属性，即使拉伸、扭曲或弯曲也不会改变。例如，中间有孔的甜甜圈和手柄上有孔的杯子都属于同一拓扑类，因为它们可以连续变形为另一个。

科学家利用拓扑学的思想来描述电子特性不受缺陷影响的材料。Churn 是指拓扑学中的一种类型，其中形状的主要特征可以用整数来表示。

“陈绝缘体是一种允许电子绕材料边缘旋转但不在内部导电的材料，”乌乔亚说。“但它们会自发形成沿二维材料边缘顺时针或逆时针流动的单向电流。这些单向电流可以用电流的基本单位精确测量。”

在这项研究中，乌乔和谢预测，在明确定义的条件下，光线穿过陈绝缘体产生的激子将继承主体材料中电子和空穴的非平凡拓扑性质。这一预测很有说服力，因为它是基于基本概念而不是计算机模拟。

“在绝缘体中，光会将电子从它们通常所在的价带激发到它们可以自由移动的导带，”Unchoa 说。“当这两个能带在拓扑上截然不同时，产生的激子本身也是拓扑的。一旦这些激子通过释放能量而衰变，它们就会自发发射圆偏振光。”

谢教授表示，这些拓扑激子可用于设计一类新型光学器件。在低温下，激子可以形成一种新型中性超流体，可用于制造强大的偏振光发射器或用于量子计算的先进光子器件。

“对这种复合粒子的预测可能有助于开发基于拓扑的新型光电设备，”乌乔说。“它不仅有助于量子通信应用，还有助于设计具有两种纠缠状态(开启和关闭)的量子比特，这些纠缠状态基于发射光的涡度或偏振。我对这些可能性感到非常兴奋。”