量子突破！科學家首次“捕獲”神秘的“暗激子”

在量子物理的世界里，除了那些會發光、會輻射能量的“明亮”粒子外，還存在著一些極其重要但卻難以捉摸的“黑暗”實體。最近，科學家們取得了一項全球性的突破：他們首次直接觀測并追蹤到了傳說中的“暗激子”（Dark Excitons）在原子級薄材料中的演變過程。這項成就不僅揭示了物質與光相互作用的深層奧秘，更可能為下一代信息技術，尤其是量子信息和超高效光電設備，鋪平道路。

首先，我們需要理解“激子”是什么。在半導體材料中，當光線照射時，電子會被激發到更高的能級，并在原來位置留下一個帶正電的“空穴”（Hole）。這個帶負電的電子和這個帶正電的空穴，由于電荷吸引而相互束縛，形成一個中性的準粒子，這就是激子。激子是半導體中傳輸能量的基本單位。而激子又分為“明亮激子”和“暗激子”兩種。

“明亮激子”的壽命很短，它們在萬億分之一秒（皮秒級）的時間內會迅速復合，并發射出光子，這就是我們能通過光學設備檢測到的光。然而，“暗激子”則不同，由于其內部電子和空穴的量子特性（例如它們的自旋方向）不匹配，它們之間被量子力學原理“禁止”復合，因此無法直接發光。這就好比它們是量子世界的“無聲信使”或“隱形能量”，雖然攜帶能量和信息，但我們卻無法直接看到或測量它們，這也是它們被稱為“黑暗”的原因。這種特性讓它們在量子信息技術中極具價值，因為它們能更長時間地保持量子態，更不容易受到周圍環境的熱噪聲等干擾而失去量子連貫性。

這項突破是在沖繩科學技術大學院大學（OIST）的飛秒光譜單元實現的。科學家們利用世界上最先進的時間分辨和角分辨光電子能譜（TR-ARPES）系統，配備了定制的極紫外光源。這套復雜的設備讓他們能以前所未有的精度，在飛秒（千萬億分之一秒）的時間尺度上，同時測量電子的動量、自旋狀態以及它們的數量，從而追蹤激子的演變。

通過這種先進的技術，研究人員成功地觀測到了明亮激子形成后，在皮秒級的時間內，一部分會由于晶格振動（聲子）的散射，轉移到不同的動量態，從而轉化為動量暗激子。稍后，自旋暗激子開始占據主導地位，它們是電子自旋發生翻轉后形成的，它們的壽命可以持續長達納秒級，這在量子領域是一個相當可觀的時間。

這項研究首次向世人展示了暗激子的真實動態和演變路徑，為開發基于這些“隱形信使”的技術奠定了基礎。未來，研究人員可以通過進一步研究如何有效地“讀取”暗激子的信息，從而解鎖一系列革命性的應用，包括制造更穩定、無需極低溫冷卻的量子比特，開發超高效的太陽能電池，以及速度極快的光通信器件，真正將“暗能量”轉化為驅動未來科技的“明動力”。

參考資料：DOI：10.1038/s41467-025-61677-2