在藝術中，繪畫中的負空間與繪畫本身一樣重要，絕緣材料中也存在類似的情況，其中缺失電子留下的空白空間在決定材料的性能方面發揮著至關重要的作用。當帶負電的電子被光激發時，它會留下一個帶正電的電洞。由於電洞和電子帶相反電荷，它們相互吸引並形成鍵。由此產生的一對是短暫的，被稱為激子[exciton，發音為exit-tawn]。

加州理工學院的研究人員發現了哈伯德激子，這是一種磁性束縛的激子，為基於激子的技術應用提供了新的途徑。

科技中的激子

激子是許多技術不可或缺的一部分，例如太陽能電池板、光電探測器和感測器。它們也是電視和數位顯示器中發光二極體的關鍵部分。在大多數情況下，激子對受到電力或靜電力的束縛，也稱為庫侖相互作用。

現在，在《自然物理學》上發表的一項新研究中，加州理工學院的研究人員報告稱，檢測到的激子不是透過庫侖力束縛的，而是透過磁性束縛的。這是第一個檢測這些所謂的哈伯德激子（以已故物理學家約翰哈伯德命名）如何即時形成的實驗。

在稱為反鐵磁莫特絕緣體的材料中，電子（球體）以原子晶格結構組織，使其自旋以交替模式向上（藍色）或向下（粉紅色）。這是能量最小化的穩定狀態。當材料受到光照射時，電子會跳躍到鄰近的原子位點，在它曾經駐留的地方留下一個帶正電的電洞（暗球）。如果電子和電洞彼此距離更遠，它們之間的自旋排列就會受到干擾——自旋不再指向與其鄰居相反的方向，如第二個面板所示——這會消耗能量。為了避免這種能量損失，電子和電洞傾向於保持彼此靠近。這是哈伯德激子背後的磁性結合機制。圖片來源：加州理工學院

「使用先進的光譜探針，我們能夠即時觀察磁束縛激子（哈伯德激子）的產生和衰變，」該研究的主要作者Omar Mehio（奧馬爾·梅希奧博士’23）說，他是加州理工學院最近的研究生，曾在與加州理工學院物理學教授David Hsieh 合作。梅希奧現在是康乃爾大學卡維利研究所的博士後研究員。

「在大多數絕緣體中，帶相反電荷的電子和電洞相互作用，就像電子和質子結合形成氫原子一樣，」Mehio 解釋道。“然而，在一種稱為莫特絕緣體的特殊材料中，光激發電子和電洞通過磁性相互作用結合。”

奧馬爾·梅希奧. 圖片來源：加州理工學院

潛在的應用和實驗

研究結果可用於開發新的激子相關技術或激子學，其中激子將透過其磁性進行操縱。

Mehio 表示：「哈伯德激子及其磁性結合機制與傳統激子學範式截然不同，為開發傳統激子系統根本無法實現的整個新技術生態系統創造了機會。在單一材料中使激子和磁性緊密交織可能會帶來利用這兩種特性的新技術。”

為了產生哈伯德激子，研究人員將光照射到一種稱為反鐵磁莫特絕緣體的絕緣材料上。這些是磁性材料，其中電子自旋以重複、穩定的模式排列。光激發電子，電子跳躍到其他原子，留下電洞。

「在這些材料中，當電子或電洞穿過晶格時，它們會留下一串磁激發，」Mehio說。「想像一下，你將一條彈力繩的一端綁在你的朋友身上，另一端綁在你自己身上。 如果你的朋友逃離你，你會感覺到繩子把你拉向那個方向，你就會開始跟隨。 這種情況類似於光激發電子和它在莫特絕緣體中留下的空穴之間發生的情況。 對於哈伯德激子，激子對之間的磁激發串起到了與連接你和朋友的繩索相同的作用。”

謝大衛 圖片來源：加州理工學院

為了證明哈伯德激子的存在，研究人員使用了一種稱為超快時域太赫茲光譜的方法，該方法使他們能夠在非常低的能量尺度上尋找激子的非常短暫的特徵。

「激子不穩定，因為電子想要回到電洞中，」謝解釋。“我們有一種方法可以探測這種重組發生之前的短時間窗口，這使我們能夠看到哈伯德激子流體是瞬時穩定的。”