2026年5月18日——加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员首次在扭曲的二硒化钨超晶格中观测到戈德斯通模式——一种不带电的准粒子。研究人员利用超快成像技术，直接捕捉到了这种集体激发，它与超导等量子现象以及其他集体量子行为相关。

“我们超越了传统的光学测量手段，这使我们能够真正拍摄一部“电影”，从而获取更多信息，”加州大学圣塔芭芭拉分校凝聚态物理学家陈浩金实验室的研究员熊日晨表示。他是发表在《自然·物理》期刊上的一篇论文的第一作者。

该研究主要由美国能源部和美国国家科学基金会资助。

莫尔魔法

当研究人员发现可以探测原子厚度的材料薄片的有趣特性时，凝聚态物理学——研究物质液态和固态的分支学科——向前迈出了一大步。这些二维晶格可以层叠在其他二维晶格之上，其原子的电子相互作用，从而产生更有趣的行为。这些堆叠的晶格可以以略微偏移的方式层叠，形成莫尔条纹图案，这同样会引发新的相互作用。

在这项研究中，研究人员使用了二硒化钨（WSe₂）超晶格，这种材料属于过渡金属二硫族化合物家族，以其电子特性而闻名。研究人员将各层之间的扭转角设定为中等角度（3.5°-4°）和大角度（5°）。

“相互作用的电子最引人入胜的后果之一是出现了新的集体激发，这些激发在性质上完全不同于自由电子，并导致了超越简单金属的奇异材料特性，”陈浩金说。“然而，这些准粒子通常不带电，这使得它们比带电粒子更难研究，因为它们的运动不会产生电流——而电流是扫描隧道显微镜和电学测量等许多传统方法的主要观测对象。”

因此，研究团队转向了光。

“我们所做的是利用光学手段来探测材料在空间和时间分辨的特性，”熊日晨解释说。他们首先向系统中泵入光以激发它并产生准粒子，然后使用另一束探测光捕捉它们的时空演化过程，这类似于用高速相机拍摄电影。“我们的方法与传统方法不同，因为我们希望从动态的角度来研究这些现象，”他补充道。

他们捕捉到的是在凝聚态系统中尚未被直接观测到的现象。他们追踪到了一个谷间相干态（IVC），在该状态下，材料中不同低能“谷”中的电子发生叠加并同步运动。戈德斯通模式对应于这种相干性的相位变化，它不涉及电荷运动，但可以支持快速且无耗散的谷极化输运。根据陈浩金的说法，这意味着不同能谷之间的不平衡可以无阻力地流动。

“我们所做的是利用光学手段来探测材料在空间和时间分辨的特性。我们的方法与传统方法不同，因为我们希望从动态的角度来研究这些现象。”

研究人员记录了这种自旋-谷输运的“电影”，它类似于自旋-谷超流体中的超流。有趣的是，该系统可以同时是电荷绝缘体，此时电子本身完全无法移动。

研究人员的方法为对凝聚态中奇异集体模式进行更多动力学研究奠定了基础。

“我们的想法是利用这种动态视角来直接研究这些奇异相中的激发，”熊日晨说。由于激发决定了量子系统对外界扰动的响应，这一认识将帮助研究人员理解原子的集体行为，进而帮助科学家以更低的能耗更好地控制材料。

本论文的研究工作还由以下人员共同完成：加州大学圣塔芭芭拉分校的郭一、秦辰新、尹凡钊、Samuel L. Brantley、崔英俊、齐俊航、周金飞、张子涵和Andrea F. Young；加州大学伯克利分校的王泰格；亚利桑那州立大学的Melike Erdi和Seth Ariel Tongay；麻省理工学院的傅亮；日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi；以及日本冲绳科学技术大学院大学的张澍。