在半导体物理研究领域，一项新的突破近日由深圳技术大学与清华大学联合团队完成。该团队在国际光学顶刊《eLight》发表的最新研究成果显示，其在二维半导体材料碲化钼（MoTe₂）中首次观测到一种全新准粒子——“四子”（quadruplon）。这一发现不仅突破了物理领域中四体量子实体研究的长期瓶颈，更以原始创新的姿态为我国在光电子器件、量子信息技术等战略领域的突破提供了关键物理机制与材料载体。
二维半导体中首次观测到新型准粒子
准粒子作为半导体物理的核心概念，其每一次发现不仅代表着基础物理新的理解，更是都伴随半导体技术的革命性突破。从集成电路的电子空穴对，到光电器件和量子光源中的激子、双激子，准粒子的研究始终是半导体创新的源头活水。此次发现的“四子”，本质是由两个电子与两个空穴通过强库仑作用形成的全新四体量子实体，其最显著特征在于它不可约化为两两激子的弱相互作用组合，打破了传统凝聚态物理中“两个电子和两个空穴只能构成双激子”的传统认知。
宁存政教授带领的深圳技术大学和清华大学联合团队通过长达6年的实验探索，利用超快泵浦-探测技术，在碲化钼单层材料中观测到激子峰低能量侧的六个新吸收峰。通过系统调控栅压、泵浦强度、温度等参数，团队排除了缺陷干扰等外在因素，证实这些光谱特征源于材料内禀性质。更关键的是，传统多体理论无法解释这些新谱线，而团队构建的全四体量子态理论模型与“多体集团展开”方法均完美复现实验结果，最终锁定四体集团的独特物理贡献，为“四子”的存在提供了坚实理论支撑。
从材料制备到机制探索的全链条创新
这项突破的背后，是团队十年如一日的坚持。自2014年起，团队聚焦二维半导体光电物理研究，在国际主流聚焦可见光材料的背景下，选择与硅兼容的红外材料碲化钼作为突破口，率先攻克材料稳定性难题，实现高质量单层材料的可重复制备。这一基础性工作为后续研究奠定了关键材料基础。
2019年，团队利用碲化钼与硅纳米臂光子晶体结合，首次实现二维材料激光室温运转，相关成果发表于《自然-纳米技术》；2022年，又发现“三子态-准自由电子态”光学增益机制，为纳米激光奠定物理基础。此次“四子”的发现，正是团队在超快光谱研究中，基于前期积累的材料制备经验与多体物理理论储备，在更短时间尺度上捕捉到的全新物理现象。
研究过程中团队面临着理论工具不足的挑战。现有半导体多体理论未涉及完整四体相互作用，团队不得不重构理论框架，利用量子统计中的“集团展开”方法，通过建立清晰的物理图像，最终实现实验现象与理论模型的精准对接。这种“实验倒逼理论创新”的研究模式，展现了我国科研团队在原始创新中的主动性与创造力。
从基础研究到应用突破构筑半导体原始创新生态
“四子”的发现具有多维度的科学价值与应用潜力。在基础物理层面，其为研究强关联多体系统提供了全新平台——不同于高能加速器中观测到的四夸克粒子，碲化钼体系中的“四子”可在室温下稳定存在，为探索量子纠缠态等前沿物理问题提供了低能耗、易操控的实验场景。欧洲核子中心近期在夸克系统中发现类似四体实体，而我国团队在凝聚态体系中的突破，为跨领域研究四体量子实体的普适性提供了关键对比样本。
在半导体光电子的研究中，团队坚持“基础研究-器件研发”的原始创新模式：一方面探索“四子”在新型光电器件中的发光特性，致力于开发基于强关联多体效应的量子光源；另一方面聚焦其在量子器件中的潜在价值，特别是利用四体量子态的独特纠缠特性，为量子信息处理提供新载体。
在“冷板凳”中孕育科技突破
在研究历程中，团队面临诸多挑战：6年无论文产出的压力、理论突破的瓶颈、实验结果的反复验证。这些经历折射出原始创新的共性特征——需要耐得住寂寞、经得起挫折。当前，全球半导体产业正经历深刻变革，“四子”的发现不仅是一项科学成就，也传递出原始创新需要定力与耐心培育的信号。完善长周期研究的评价机制，为科研团队提供“将冷板凳坐热”的制度保障，鼓励“非共识”研究，容忍探索性失败，才能让更多“从0到1”的突破得以孕育。
站在新的历史起点，这项突破为我国半导体研究增添了新的探索维度与发展动能，为相关领域的创新突破提供了重要的理论储备与实践方向。随着团队在其他材料体系中拓展研究，以及“四子”发光特性、量子器件应用等方向的深入，我们有理由期待，这一原始创新成果将在未来催生更多颠覆性技术。（付丽）
