在艺术中，画作中的负空间可能和画作本身一样重要。在绝缘材料中也有类似的情况，缺少电子留下的空白空间在决定材料的性质方面起着至关重要的作用。当带负电的电子被光激发时，它会留下一个带正电的空穴。因为空穴和电子带相反的电荷，它们相互吸引，形成一个键。由此产生的一对，寿命很短，被称为激子。
激子是许多技术的关键组成部分，包括太阳能电池板、光电探测器和传感器，以及电视和数字显示屏中的发光二极管。在大多数情况下，激子对被电或静电力束缚，也被称为库仑相互作用。现在，在《自然物理》杂志上的一项新研究中，加州理工学院的研究人员报告说，他们发现了不是通过库仑力束缚而是通过磁力束缚的激子。这是第一个检测这些所谓的哈伯德激子(以已故物理学家约翰·哈伯德命名)如何实时形成的实验。
“使用先进的光谱探针，我们能够实时观察到磁结合激子，哈伯德激子的产生和衰变，”研究的主要作者Omar Mehio(23届博士)说，他是加州理工学院最近的研究生，曾与加州理工学院唐纳德·a·格拉泽物理学教授大卫·谢一起工作。Mehio现在是康奈尔大学Kavli研究所的博士后。
“在大多数绝缘体中，带相反电荷的电子和空穴相互作用，就像电子和质子结合形成氢原子一样，”Mehio解释说。“然而，在一种被称为莫特绝缘体的特殊材料中，光激发的电子和空穴通过磁相互作用结合。”
这一结果可以应用于新的激子相关技术的开发，或激子电子学，其中激子将通过其磁性来操纵。Mehio说:“哈伯德激子及其磁结合机制与传统激子的模式截然不同，创造了发展整个新技术生态系统的机会，这在传统激子系统中是根本不可用的。”“将激子和磁性强烈地交织在一种材料中，可能会产生利用这两种特性的新技术。”
为了制造哈伯德激子，研究人员将光应用于一种被称为反铁磁莫特绝缘体的绝缘材料。这些是磁性材料，其中的电子自旋以一种重复的、稳定的模式排列。光激发电子，电子跳到其他原子上，留下空穴。
“在这些材料中，当电子或空穴穿过晶格时，它们会在它们的尾迹中留下一串磁激发，”Mehio说。“想象一下，你把一根橡皮绳的一端系在朋友身上，另一端系在自己身上。如果你的朋友从你身边跑开，你会感觉到绳子把你往那个方向拉，你会开始跟着他跑。这种情况类似于光激发电子和它在莫特绝缘体中留下的空穴之间发生的情况。对于哈伯德激子，这对激子之间的磁激发线就像连接你和你朋友的绳子一样。”
为了证明哈伯德激子的存在，研究人员使用了一种称为超快时域太赫兹光谱的方法，这种方法使他们能够在非常低的能量尺度上寻找激子的非常短的特征。“激子是不稳定的，因为电子想要回到空穴中，”Hsieh解释说。“我们有一种方法来探测这种重组发生之前的短时间窗口，这使我们能够看到哈伯德激子的流体是短暂稳定的。”
这项研究名为“光干扰反铁磁莫特绝缘体中的哈伯德激子流体”，由陆军研究办公室、大卫和露西尔·帕卡德基金会、国家科学基金会、加州理工学院量子信息与物质研究所(NSF物理前沿中心)、加州理工学院、德国研究基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及斯洛文尼亚研究机构资助。其他作者包括李鑫伟、宁鸿烈(23届博士)和尼古拉斯·劳里塔，他们都曾毕业于加州理工学院;加州理工学院研究生韩宇晨;斯洛文尼亚Jozef Stefan研究所和加州大学伯克利分校的Zala lenar