激子是由庫侖相互作用束縛的電子-空穴對組成的準粒子，在絕緣體和半導(dǎo)體中都很常見。激子絕緣相首先是諾貝爾獎獲得者Mott教授早在上世紀60年代理論上提出并預(yù)言，當激子結(jié)合能（Eb）大于本征半導(dǎo)體的帶隙（Eg）時，會出現(xiàn)激子絕緣相。隨后，一些實驗組在半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)了異常的帶隙打開現(xiàn)象，作為激子絕緣相存在的證據(jù)。在2017年，北京大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等從實驗和理論兩方面研究了InAs/GaSb量子阱中的拓撲激子絕緣相，其特征是帶隙打開和光譜中獨特的雙峰結(jié)構(gòu)，這成為了拓撲激子絕緣相的有力證據(jù)。然而，由于Eb> Eg的限制，激子絕緣相通常僅出現(xiàn)在窄帶隙半導(dǎo)體或半金屬中。

圖1.拓撲激子絕緣相的計算和類似于超導(dǎo)的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)

二維材料中顯著的激子效應(yīng)和非常大的激子結(jié)合能為激子絕緣體的研究帶來了新的希望。單層WSe2因其位于Γ點處平的價帶和較大的間接能隙，顯示出獨特的激子特性。間接能隙的存在會導(dǎo)致動量間接激子的形成，與直接激子相比，其激子壽命更長。間接激子可以表現(xiàn)出激子玻色-愛因斯坦凝聚（BECs）和激子超流。間接能隙和Γ點附近的平帶，使1T'-WSe2單層成為激子BEC和相關(guān)多體效應(yīng)的絕佳平臺。

近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與浙江大學(xué)合作通過理論計算在1T'-WSe2單層中發(fā)現(xiàn)了拓撲激子絕緣相的存在。研究團隊基于第一性原理計算結(jié)合Bethe-Salpeter方程（BSE）揭示了拓撲激子絕緣相的存在，激子能帶顯示出激子能量的最小值向有限動量處移動，形成一個類Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov態(tài)，這導(dǎo)致了激子密度波的形成。最后，通過Gross-Pitaevskii方程的求解，進一步驗證了由于X2激子的兩個分支之間的干涉，在BEC區(qū)域出現(xiàn)了具有條紋狀的激子密度波。該研究的發(fā)現(xiàn)為激子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、非平凡拓撲，甚至二維材料中的激子超流提供了新的研究方向。

圖2. 非零速度的條紋相的拓撲激子密度波

相關(guān)的成果以 “Topological Exciton Density Wave in Monolayer WSe2”為題發(fā)表在國際物理學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》（物理評論快報） [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]上。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所特別研究助理董珊博士和臺州學(xué)院講師陳穎達博士為共同第一作者，婁文凱研究員、常凱院士為共同通訊作者。北京理工大學(xué)曲宏偉博士也為該工作做出了重要的貢獻。

該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目、合肥國家實驗室量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計劃、中國博士后科學(xué)基金站前特別資助等的支持。