摘要：冲绳科学技术研究所的科学家们在量子物理学领域取得了一项里程碑式的成就，他们利用世界最先进的飞秒光谱系统，成功直接观测并追踪了暗激子在原子级薄材料中的演化过程。这一突破性发现不仅解开了困扰物理学家多年的科学谜题，更为开发抗干扰能力更强的量子信息技术开辟了全新道路

信息来源：https://scitechdaily.com/in-a-world-first-scientists-directly-observe-elusive-dark-excitons/

冲绳科学技术研究所的科学家们在量子物理学领域取得了一项里程碑式的成就，他们利用世界最先进的飞秒光谱系统，成功直接观测并追踪了暗激子在原子级薄材料中的演化过程。这一突破性发现不仅解开了困扰物理学家多年的科学谜题，更为开发抗干扰能力更强的量子信息技术开辟了全新道路。

暗激子因其独特的量子特性而被视为下一代量子计算的理想信息载体。与传统的量子比特相比，这些神秘的准粒子对环境干扰具有天然的抗性，这意味着未来的量子设备可能不再需要极端低温环境，从而大幅降低量子技术的实用化门槛。研究团队的成果发表在《自然通讯》杂志上，标志着量子科学从理论探索向实际应用迈出了关键一步。

揭开量子世界的隐形面纱

研究中使用的 TR-ARPES 设置。图片来源：Jeff Prine（OIST）

暗激子的"暗"并非指颜色，而是指它们不与光发生相互作用的特性。当光照射到半导体材料上时，电子从价带跃迁到导带，留下带正电的空穴。电子与空穴之间的库仑吸引力使它们结合形成激子这种类氢准粒子。如果电子和空穴的量子特征匹配，它们会快速重新结合并发出光子，形成所谓的"明激子"。然而，当电子和空穴的自旋或动量特征不匹配时，它们就无法直接重新结合，形成了不发光的暗激子。

领导这项研究的飞秒光谱部门负责人Keshav Dani教授解释说："暗激子作为信息载体具有巨大潜力，正是因为它们本质上不太可能与光相互作用，因此其量子特性不太容易退化。然而，这种隐形特质也使得研究和操控它们变得极其困难。"

研究团队发现暗激子主要有两种类型：动量暗激子和自旋暗激子。动量暗激子是指电子和空穴位于不同的动量谷中，而自旋暗激子则是电子和空穴具有不匹配的自旋态。这种量子特征的不匹配不仅阻止了激子的立即重组，使它们能够存在长达几纳秒的时间，还使暗激子更加孤立于环境相互作用。

飞秒技术突破观测极限

OIST 的实验装置采用世界领先的 TR-ARPES（时间和角度分辨光电子能谱）显微镜，该显微镜具有专有的台式 XUV（极紫外）光源，能够以飞秒时间尺度（1fs = 一万亿分之一 （10-15） 秒）对电子和激子进行成像。图片来源：Jeff Prine 和 Andrew Scott（OIST）

传统的光学方法无法直接观测暗激子，因为它们不发射光子。冲绳科学技术研究所的科学家们利用了世界上最先进的TR-ARPES（时间和角度分辨光电子发射光谱）系统，该系统配备定制的台式极紫外光源，能够在飞秒时间尺度上对电子和激子进行成像。一飞秒相当于一千万亿分之一秒，这种超高时间分辨率使研究人员能够捕捉到量子态演化的瞬间过程。

共同第一作者、博士生邢朱描述了这项技术的重要意义："在电子学领域，人们操控电子电荷来处理信息。在自旋电子学中，我们利用电子的自旋来携带信息。更进一步，在谷电子学中，独特材料的晶体结构使我们能够将信息编码为电子的不同动量状态，称为谷。"

该团队选择了过渡金属二硫族化物作为研究材料，这类原子级薄的半导体具有独特的六边形晶体结构。这种对称性在动量空间中创造了两个能量谷，被称为K和K'谷。由于时间反演对称性，这两个谷具有相反的特性：如果K谷的导带电子具有向下的自旋，那么K'谷必须具有向上的自旋。

谷电子学的实际应用前景

TMD 等超薄半导体的原子结构是六边形的，这种对称性反映在动量空间中，其中传导（顶部）和价（底部）带在特定点 （K） 处各具有局部能量最小值和最大值 （K），这可以可视化为动量景观中的谷值。量子力学中的时间反转对称性决定了一个谷中发生的事情会反映在另一个谷中：如果 K 处的导带具有自旋下降（红色），那么 K' 必须具有自旋上升（蓝色），导致沿着六边形边缘的交替图案。当电子停留在同一谷中并且与相应空穴具有相同的自旋时，就会形成明亮的激子。通过使用左或右圆偏振光，可以有选择地填充特定谷中的明亮激子。插入显示了明亮激子的能量测量值，显示了谷值 K 和 K' 的对比度。图片来源：动量景观图改编 Bussolotti 等人，（2018） Nano Futures 2 032001。插页改编自 Zhu 等人，（2025） Nature Communications 16 6385

研究团队的发现揭示了暗激子演化的详细机制。在激光激发后的皮秒内，一些明激子被声子散射到不同的动量谷中，转变为动量暗激子。随后，自旋暗激子开始占主导地位，电子在同一谷内发生自旋翻转，这个过程可以持续纳秒级的时间。

现任加州理工学院博士后研究员的共同第一作者Vivek Pareek博士强调了这一发现的实际意义："过渡金属二硫族化物独特的原子对称性意味着，当暴露于圆偏振光时，人们可以选择性地在特定谷中产生明激子。这是谷电子学的基本原理。明激子会迅速转变为许多暗激子，从而有可能保留谷信息。"

利用暗激子的谷维度来携带信息的能力使它们成为量子技术的有前景候选者。与当前一代的量子比特相比，暗激子本质上更能抵抗热背景等环境因素，可能需要较少的极端冷却，并使其不易出现退相干。退相干是指独特量子态的崩溃，这是当前量子计算技术面临的主要挑战之一。

技术转化与产业前景

结果的图形说明，以皮秒尺度（1ps = 10−12秒）显示了不同激子的种群如何随时间出现和演变。图片来源：Jack Featherstone （OIST），改编自Zhu等人（2025）自然通讯 16 6385

这项基础研究的突破为多个技术领域带来了变革性的应用前景。在量子计算领域，暗激子可能成为构建更稳定量子比特的基础，这些量子比特在室温或接近室温的条件下仍能保持量子相干性。这将大大降低量子计算机的运行成本和技术门槛，加速量子技术的普及。

在量子通信方面，暗激子的长寿命特性使其成为理想的量子信息载体。由于它们不与光直接相互作用，暗激子编码的量子信息具有更好的保密性和抗窃听能力。同时，通过精确控制暗激子的谷态，可以实现高密度的量子信息编码和传输。

该部门的Julien Madéo博士总结了研究的重要意义："借助先进的TR-ARPES设置，我们直接访问并绘制了暗激子如何以及哪些暗激子保留了长期的谷信息。未来对暗激子谷特性读出技术的发展将解锁跨信息系统的广泛暗谷电子学应用。"

从更广阔的视角来看，这项研究代表了量子物理学从纯理论科学向应用技术的重要转变。通过解决暗激子观测和操控的基本挑战，研究团队为暗谷电子学作为一个全新领域奠定了基础。这一突破不仅推进了我们对量子世界的理解，更为开发下一代量子设备提供了关键的科学基础。

随着量子技术竞争的加剧，这类基础研究的重要性日益凸显。暗激子的成功观测和操控可能成为量子技术发展的转折点，推动整个行业从实验室走向实际应用，最终改变计算、通信和信息处理的未来格局。

来源：人工智能学家