一个研究小组在有机材料与二维半导体界面处发现了一种独特的量子态。

更快、更高效且适应性更强的技术，被广泛视为能源生产与信息处理未来发展的关键所在。然而，要实现这些目标，就需要以全新的方式，去理解材料在最小尺度下的行为表现。如今，一支由德国哥廷根大学、马尔堡大学、柏林洪堡大学以及奥地利格拉茨大学组成的国际研究团队，在这一领域取得了重大进展。

研究人员将近年来备受瞩目的两类材料——有机半导体与二维半导体——巧妙融合，通过光电子能谱结合多体微扰理论，深入探究了这一复合体系对光的响应机制，从而成功捕捉到两种材料界面处发生的超快过程。这些测量精准记录了仅在千万亿分之一秒内发生的微观事件，为揭示微观尺度下的能量传递机制提供了直观视角。

这种独特的材料特性组合或将为新技术（包括更高效的太阳能电池）的诞生创造契机。相关研究结果发表于《自然·物理学》期刊。

观察激子的运动

为开展这项研究，研究团队采用了一种名为动量显微术的专业技术，该技术是光电子能谱学的一种先进形式。借助这一方法，他们得以实时追踪材料在受到光照时电子结构的变化情况。

这些数据可被视作一部“影片”，它揭示了激子（一种由束缚于电子空穴的电子所构成的量子力学粒子）如何被光激发产生，随后又演变成不同类型的激子态。

研究人员通过识别与每种激子类型相关的独特光谱特征，并将其与激子景观的详细理论模型进行对比，得以追踪能量在二维有机界面上的转移路径。一项关键成果显示，当二维材料吸收光子后，能量可在不到一千万亿分之一秒（10⁻¹³秒）的时间内转移至有机层。

哥廷根大学的斯特凡·马蒂亚斯教授解释道：“实现这种超快速能量转移的关键在于形成‘混合激子’，而如今我们已找到了能证明其存在的实验特征。”

混合激子

但“混合激子”究竟是什么？

激子由半导体吸收光能后产生，因此在太阳能电池和发光二极管等光电器件中发挥着核心作用。

根据材料的不同，激子展现出的特性也大相径庭：在有机半导体中，激子通常处于静止状态——它们几乎固定在某一位置不动；而在二维半导体中，激子则具有极高的流动性，能在材料中自由漂移。

然而，在有机半导体与二维半导体的界面处，材料特性与激子特性均可能发生混合，进而有可能催生出全新的混合激子。

直接观测混合激子

这正是研究人员在二维材料二硒化钨（WSe2）与有机半导体PTCDA的界面处观察到的现象。

哥廷根大学的维布克·本内克（Wiebke Bennecke）是该研究的第一作者，她解释道：“我们的研究成果让我们能够更深入地理解并高效利用半导体纳米结构中能量与电荷转移背后的基本过程。这是朝着开发高效太阳能电池、超快光电子元件以及量子技术领域的新应用迈出的关键一步。”随后她补充道，“在量子力学发展100周年之际，我们的发现充分彰显了它对当今未来科技的重要意义。”

参考文献：维布克·本内克（Wiebke Bennecke）、伊格纳西奥·冈萨雷斯·奥利瓦（Ignacio Gonzalez Oliva）、扬·菲利普·班格（Jan Philipp Bange）、保罗·维尔纳（Paul Werner）、大卫·施密特（David Schmitt）、马可·默博尔特（Marco Merboldt）、安娜·M·塞勒（Anna M. Seiler）、肯吉·渡边（Kenji Watanabe）、田中贵（Takashi Taniguchi）、丹尼尔·施泰尔（Daniel Steil）、R·托马斯·魏茨（R. Thomas Weitz）、彼得·普施尼格（Peter Puschnig）、克劳迪娅·德拉克斯尔（Claudia Draxl）、G·S·马蒂斯·扬森（G. S. Matthijs Jansen）、马塞尔·罗伊策尔（Marcel Reutzel）和斯特凡·马蒂亚斯（Stefan Mathias）于2025年10月29日发表于《自然·物理学》（Nature Physics）的论文《混合弗伦克尔-万尼尔激子促进二维-有机界面处的超快能量转移》。DOI：10.1038/s41567-025-03075-5

该研究得到了德国研究基金会 (DFG) 哥廷根合作研究中心 (CRC) 的“原子尺度上的能量转换控制”、“实验数学”、“质子推动电子”项目，柏林 DFG CRC 的“光电混合无机/有机系统”项目，奥地利科学基金以及欧洲研究理事会的支持。