来自中国南京大学和北京航空航天大学以及德国汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所 (MPSD) 的研究人员通过设计层状二磷化硅 (SiP₂) 的特性，产生了一种具有混合维数的新型激子. 他们的工作已发表在Nature Materials上。

激子是由带负电的电子和带正电的电子空穴组成的束缚粒子。当它们与其他物质状态(例如材料晶格的振动)耦合时，它们的奇异行为为研究材料的物理特性提供了一个重要的新平台。

使用 SiP₂，中国的研究人员制造了一种新型材料，其二维层受范德华力约束，并具有强烈​​的内部共价相互作用。这会产生特殊的一维磷链，电子态可以沿着该链定位。然后，该团队设法在这种分层材料中设计了一种具有混合维度的新型激子，这意味着电子具有一维特征，而空穴则显示二维特征。这是第一次观察到这种现象。MPSD 的理论家通过高级模拟证实了这一发现。

通过将材料暴露在激光下，实验者能够创建并随后探测这些激子态，这些激子态在测量光谱中显示为峰值。特别是，光谱中主激子峰的特殊侧峰的出现显示了混合维度激子的明显特征：由于它们强烈依赖于材料的内部结构，预计新产生的激子将与其他材料激发，例如改变 SiP2 中磷链的晶格振动。

MPSD 的理论小组随后通过广泛的分析证实了这些发现，并使用最先进的方法来研究激子粒子。他们的模拟表明，该粒子由一个具有二维特征的带正电的空穴和一个位于一维磷链上的带负电的电子组成，从而产生具有混合维度的激子。

理论家证明，这种激子与晶格振动强烈相互作用，从而产生实验测量的侧峰特征。迄今为止，这种特征仅在石墨烯纳米管或过渡金属二硫属化物单层等低维材料中测量到，但在SiP 2 等块状材料中没有测量到。

这种合作表明在 3D 块状晶体中存在激子- 声子边带以及具有混合维度的激子状态。随着科学家们寻找新的方法来控制和研究准粒子(例如激子、声子和其他固体材料中的其他粒子)之间的相互作用，这些发现代表了重要的进展。

“我们的方法提供了一个有趣的平台来研究和设计新的物质状态，例如三重离子(两个电子和一个空穴，反之亦然)和更复杂的混合维度粒子，”共同作者、北京航空航天大学教授唐培哲说。 MPSD 的科学家。

研究员、共同作者、研究所理论组的博士生 Lukas Windgätter 补充说：“对我来说，如何通过工程固体控制粒子的相互作用是很有趣的。尤其是能够创建具有混合维度的复合粒子开辟了途径研究新物理学。”