双极性激子绝缘体中的量子振荡：MoSe2/WSe2电子-空穴双层体系中的关联绝缘态调控

研究人员通过MoSe2/WSe2电子-空穴双层体系，首次在门控调控的激子绝缘体（EI）中观测到电阻率量子振荡现象。该研究揭示了磁场调控下EI与层间解耦量子霍尔（QH）态之间的竞争机制，通过压缩率测量和库仑拖曳实验证实了有限角动量激子关联的存在，为理解强关联绝缘体中的量子振荡提供了全新平台。

　　

在凝聚态物理领域，量子振荡现象长期以来被认为是金属费米面的专属特征。然而近年来，在SmB₆等近藤绝缘体和InAs/GaSb量子阱中观察到的量子振荡，向这一传统认知提出了挑战。这些发现引发了关于绝缘体中量子振荡机制的热烈讨论，但受限于材料体系的不可调控性，相关研究进展缓慢。

正是在这样的背景下，Phuong X. Nguyen、Raghav Chaturvedi等研究者将目光投向了具有高度电学可调性的二维材料体系。他们选择MoSe₂/WSe₂异质结这一经典type-II能带对齐系统，通过精确控制栅极电压和磁场，成功构建了双极性激子绝缘体（dipolar excitonic insulator）这一独特的量子态。这项发表在《Nature Materials》的工作，不仅首次在激子绝缘体中观测到量子振荡现象，更揭示了磁场诱导的激子绝缘体-量子霍尔态相变这一新颖物理过程。

研究团队采用了三项关键技术方法：(1)干法转移技术制备hBN封装的MoSe₂/WSe₂异质结器件；(2)开放式电路测量和库仑拖曳实验分别表征电荷和激子输运特性；(3)穿透电容测量技术提取激子结合能。实验在1.5K低温下进行，磁场最高达31.5T。

量子振荡现象

通过系统测量WSe₂层的纵向电阻R_xx和霍尔电导σ_xy，研究者在EI相区观察到明显的量子振荡信号。当电子或空穴的回旋能量（E_c）超过激子结合能（E_b）时，体系会在EI和层间解耦QH态之间发生周期性转变。

磁场相图

在电荷中性点（图3），EI相区随磁场增大而扩展。当磁场达到3T以上时，电子-空穴等离子体区域出现Landau能级（LL）。值得注意的是，在ve=vh=1-4的整数填充处，完全填满的LL会"刺入"EI相区，形成独特的相竞争图案。

振荡的激子结合能

穿透电容测量显示（图4），激子结合能随V_b呈现振荡行为。这种振荡叠加在单调递减的背景上，其极小值对应层间解耦QH态，极大值则对应强EI态。温度依赖性分析表明，QH态的振荡幅度符合Lifshitz-Kosevich公式，而EI态则显著偏离该理论预期。

有限角动量激子关联

库仑拖曳实验（图5）揭示了更丰富的物理图景。在ve=vh区域观察到近乎完美的拖曳效率（I_drag/I_drive≈1），证实了EI态的存在。而在ve-vh=±1,2区域仍观测到显著（约50%）的拖曳效应，暗示体系中可能存在角动量为±?、2?的激子关联态。

这项研究的理论意义在于：首先，它建立了首个高度可调的量子振荡研究平台，为理解强关联绝缘体中的类似现象提供了新视角；其次，观测到的有限角动量激子关联，为探索激子量子霍尔效应奠定了基础。从应用角度看，这项工作展示了通过电场和磁场协同调控激子量子态的可能性，为未来开发激子器件提供了重要参考。

研究团队在讨论部分特别指出，当前的平均场理论计算（图3c）虽然能定性重现实验现象，但在磁场标度上存在显著差异。这提示体系中可能还存在更复杂的多体效应，如激子-激子相互作用和动态屏蔽效应，有待进一步研究。正如通讯作者Kin Fai Mak和Jie Shan强调的，这项研究"开辟了探索关联绝缘体中量子振荡的新途径"，并为研究从集体激发到单粒子激发的相变过程提供了独特窗口。