科學家突破性發現：二維半導體中的「四重子」量子粒子

研究團隊在一項最新研究中，於二維半導體材料中發現了一種全新的四體準粒子——「四重子」(quadruplon)。這項突破性發現結合了精密雷射實驗與先進理論計算，揭示了現有模型無法解釋的獨特光譜特徵，為量子物理學開闢了新研究方向。

理解材料特性背後的物理機制是現代物理學的核心課題。從電學、光學到熱學與磁學特性，這些性質幾乎是所有科技應用的基礎。量子理論透過「準粒子」概念來解釋這些現象，例如晶體中的聲子(phonon)、半導體中的電子與電洞，以及極化子(polaron)等。更複雜的例子如激子(exciton)，它是由電子與電洞組成的束縛態，類似氫原子結構。兩個激子還能結合形成類似氫分子的雙激子(biexciton)。

由深圳技術大學積體電路與光電子晶片學院和清華大學電子工程系的寧存政教授領導的研究團隊，在頂尖期刊《eLight》發表了這項重大發現。他們在單層二碲化鉬(Molybdenum Ditelluride)這種二維材料中，首次證實了真正的四體準粒子存在。

研究團隊採用獨特的實驗設計：將單層二碲化鉬夾在上下兩層氮化硼之間，頂部連線金屬電極，底部則作為介電層並設定閘極電極。這種結構讓團隊能精確調控半導體層內的電荷，觀察光譜響應隨閘極電壓的變化。

實驗採用先進的光學泵浦-探測技術：首先發射數百飛秒的強脈衝激發電子，再以弱探測脈衝觀察激發後材料的吸收特性。這種方法能捕捉壽命僅皮秒級的準粒子行為。團隊系統性地改變了閘極電壓、泵浦強度、延遲時間等多項引數，獲得了豐富的實驗資料。

「令我們驚訝的是，吸收光譜在激子峰下方出現了至少6個新峰，」寧存政教授表示。為排除缺陷影響，團隊在十年間製備測試了數百個樣本，最終在五個最佳樣本中重複觀測到這些特徵峰。

論文第一作者唐嘉誠博士補充：「我們進行了全面的溫度與泵浦功率相關性研究，所有證據都表明這些新特徵具有本質性。」

傳統理論無法解釋所有觀測結果，迫使團隊突破既有框架，完整考慮兩個電子與兩個電洞間的所有庫侖作用項。令人振奮的是，新理論完美重現了實驗特徵。團隊進一步發展出更直觀的「簇展開」(cluster expansion)理論，最終確認關鍵的「四階簇」對應著全新的四體準粒子——四重子。

展望未來，團隊計劃在其他材料系統中尋找類似特徵，並深入研究四重子的發光特性，這可能揭示高度關聯多體系統的新量子本質。

這項研究獲得了中國國家自然科學基金、深圳市坪山區創新平臺專案等多項支援，為量子材料研究開闢了新方向。