2026年8月4日——玻色-爱因斯坦凝聚体（BECs）常被描述为“物质的第五态”：一种量子态，其中许多粒子失去个体身份，表现为一个集体对象。60多年来，研究人员一直试图从激子（即电子-空穴对）中制造这种凝聚体，作为实现宏观量子相干性的固态途径，这对量子技术很有价值。然而，在可控半导体器件中实现这一目标一直很困难，因为光学产生的激子寿命极短，约为十亿分之一秒，而BEC通常是在真空中的超冷气体中实现的。

但现在，由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）领导的一个团队，在原子级薄的半导体中于高温下观察到了激子的可调谐BEC。该发现发表在《自然》杂志上，不仅揭示了激子能形成BEC，还表明该凝聚体具有可通过磁场切换的内部结构。

这项工作为研究固体材料中的量子流体提供了一个新平台。（量子流体是一种奇异的物质状态，其中电子或其他粒子的气体像流体一样集体运动。）它还对未来的量子模拟、下一代通信和计算技术中的相干光电子学，以及可实现更快、更高效计算的基于激子的器件具有重要意义。

“虽然此前的研究表明电子和空穴可以结合成激子，但没有简便的方法来确定这些激子是否形成了凝聚体，也无法确定该凝聚体具有何种内部量子序。我们的工作提供了一种直接探知这种隐藏结构的途径，”首席研究员Feng Wang说。他是伯克利实验室材料科学部的教员高级科学家，也是加州大学伯克利分校物理系教授。

在许多实验中，激子由光产生，仅作为短寿命的激发态存在。在新研究中，Wang及其团队通过设计一种激子处于基态而非激发态的二维半导体器件来应对这种短暂性。研究人员预测，这样的系统将使激子达到平衡，并以BEC的形式持续存在。

研究人员使用一种在低温条件下进行的磁光光谱学技术，将器件冷却至接近绝对零度的温度，并测量了电子和空穴组分对小磁场的响应。器件上方和下方的电栅极让研究人员能够调节这些激子的密度。

激子如预期那样表现出集体行为，但研究人员惊讶地发现，凝聚体的特征在高达约2开尔文的温度下依然存在——这仍然非常冷，但比此前在超冷原子气体中的BEC演示要温暖数百万倍。

“这里的不同寻常之处在于，激子不仅仅是光产生的短寿命粒子。它们在我们可通过电学和磁学方式调控的器件中形成了平衡量子流体，”论文共同第一作者、曾任伯克利实验室材料科学部博士研究员的Ruishi Qi解释说。

在原子级薄的半导体中，电子和空穴不仅携带电荷和自旋，还携带一种被称为“能谷”的量子特性，该特性与它们在晶体材料内部的运动（即自由度）相关。这些自旋-能谷自由度赋予激子多种可能的“味道”或自旋模式，例如向上-向上、向下-向下、向上-向下或向下-向上。在当前的研究中，由伯克利实验室领导的团队发现，BEC并非简单的单味道量子态：它包含两个组分，每个组分具有不同的内部自旋-能谷结构。这产生了多种不同的凝聚体相，可通过磁场进行切换。

“令人兴奋的是，这不仅仅是一个简单的凝聚体，”Qi说。“它具有我们可以控制的内部结构。只需施加一个小磁场，我们就可以在同一激子流体的不同量子态之间进行切换。”

在未来的工作中，研究人员希望在激子BEC的基础上演示基于超流体的量子器件和电路。