王楓團隊作為超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool的早期用戶，已在OptiCool上取得了眾多重要成果，近年來已經有數篇學術論文發表在Science、Nature系列著名期刊上。近期，該團隊再次憑借 OptiCool 平臺，利用創新的光學測量技術，在低溫下觀測到了完美的庫侖拖拽，相關研究成果登上Science期刊，這一成果再次彰顯了 OptiCool 在推動前沿科研中的關鍵作用。

圖1. 超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool

背景介紹

激子絕緣體是一種由強關聯電子-空穴對（激子）組成的量子態，其特性介于絕緣體與超流體之間。理論預測，在二維電子-空穴雙層系統中，當層間距離遠小于層內粒子間距時，電子和空穴可通過庫侖相互作用形成間接激子，并在低溫下呈現超流體或玻色-愛因斯坦凝聚態。然而，這類量子態的觀測長期受限于傳統電學測量的技術瓶頸，例如過渡金屬硫族化合物（TMD）材料的高接觸電阻和低摻雜下的載流子屏蔽效應。

近期，加州大學伯克利分校王楓/Andrew Y. Joe團隊在《科學》雜志發表題為“Perfect Coulomb drag and exciton transport in an excitonic insulator”的研究結果，通過創新的光學測量技術，突破性的在無外加磁場的MoSe?/hBN/WSe?異質結構中觀測到完美庫侖拖拽效應，并揭示了激子絕緣體相中獨特的輸運行為。這一發現不僅深化了對強關聯激子體系的理解，還為未來開發基于激子的低能耗電子器件提供了新思路。

實驗設計與材料制備

研究團隊構建了由單層MoSe?（電子層）和單層WSe?（空穴層）組成的異質結構，中間以3 nm厚的六方氮化硼（hBN）作為隧穿勢壘（圖2A）。通過雙門控設計（頂部石墨烯柵極和底部雙柵極），精確調控電子和空穴的密度（圖2C-D）。

圖2. 相關聯的電子空穴雙層器件

創新的測量方法

用戶在OptiCool系統中采用光學反射光譜測量結合電容驅動方法創造性的對激子絕緣體相中獨特輸運行為進行了高精度的測量。

1. 反射光譜技術：利用反射光強度對載流子密度的敏感性（圖2F），通過單色激光探測局部電子或空穴密度的振蕩變化，間接測量電荷與激子的輸運行為，避免了傳統電學接觸的高阻抗問題。

2. 電容驅動法：在底部柵極施加交流電壓調制（頻率范圍82 Hz–41 kHz），通過電容耦合驅動電荷和激子在兩個區域間振蕩，結合鎖相放大器檢測反射光的交流分量，定量分析激子遷移率與電阻（圖3D）。

核心發現

本研究中，研究者在低溫下觀測到了完美的庫侖拖拽。在低溫和電子-空穴密度平衡條件下，驅動層（空穴層）的電流會引發拖拽層（電子層）產生完美反向且等量的電流。這一現象僅在激子絕緣體相中顯著，表明激子主導了輸運過程。

盡管理論預測激子超流體會在低溫下出現，但實驗并未觀察到激子超流體。研究人員推測，樣品中的無序性或量子漲落可能抑制了超流相變。此外本文中研究人員還研究了摻雜對庫侖拖拽效率的影響，未配對電荷（電子或空穴）的輸運逐漸主導（圖3E-G），表明激子與自由載流子的競爭行為。

圖3. 激子與電荷的輸運測量

科學意義與未來展望

本研究開發的光學測量方法為低維強關聯體系的研究提供了新工具，尤其適用于難以制備電學接觸的高質量TMD異質結構。該光學技術可擴展至其他量子材料體系，為探索關聯電子態開辟新路徑。完美庫侖拖拽效應可用于設計高效能量轉換器件，例如激子晶體管或量子信息處理器。研究團隊指出，未來通過優化樣品質量（如降低缺陷密度）或探索其他二維材料組合（如扭曲雙層結構），有望實現更高溫度的激子超流體態。此外，這項研究不僅揭示了二維激子絕緣體的獨特輸運行為，更展示了光學手段在量子材料研究中的強大潛力，為下一代電子器件的開發奠定了重要基礎。

相關設備

本研究中創新的反射光譜相關測量方法，是在Quantum Design公司生產的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺——OptiCool上完成的，也是用戶王楓團隊利用Opticool平臺發表數篇Science、Nature后的又一重磅成果。

圖4. OptiCool® Vector，4-1-1矢量場系統

Quantum Design公司具有超過40年的前沿低溫設備生產經驗，所生產的低溫強磁場設備遍布全球多個實驗室。公司最新研發的超精準全開放強磁場低溫光學系統—OptiCool具有創新的設計方案。系統擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達±7T的磁場或者4-1-1矢量磁場。多個側面窗口、1個頂部超大窗口方便光線由各個方向引入樣品腔。底部窗口選件可滿足光路平行于磁場的透射方案。高度集成式的設計讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時擺脫大型低溫系統的各種束縛。該平臺一經發布就受到全球科學家的廣泛關注，目前我們已經為用戶提供的整體解決方案有：

?  共聚焦拉曼/熒光掃描成像系統

?  磁光克爾/磁圓二色測試系統

?  熒光壽命掃描成像系統（FLIM）

?  偏振分辨的二次諧波掃描成像系統

?  紫外/可見/近紅外光譜共聚焦掃描成像系統

?  多功能光電流掃描成像系統

?  三階光學非線性的Z掃描系統

?  白光/熒光角分辨系統