物性物理学：トポロジカル絶縁体におけるスピン偏極した空間的間接励起子

電子と正孔の束縛状態である励起子は、半導体においてコヒーレントな光–物質相互作用によって誘起される基本的な準粒子である。電子と正孔が空間的に分離されているとき、より長い寿命とより高い凝縮温度を持つ空間的間接励起子が形成される。トポロジカルな性質を持つ励起子状態を誘起して、長寿命励起子トポロジカル準粒子を作り、トポロジカル効果と相関相互作用の両方を同時に利用することが、この分野における究極のフロンティアの1つである。今回我々は、トポロジカル絶縁体Bi₂Te₃における過渡的な励起子トポロジカル表面状態（TSS）の存在を明らかにする。時間・スピン・角度分解光電子分光法を用いて、運動量空間における長寿命励起子状態の形成を直接追究した結果、バルク–TSS混合点下における強度蓄積と、そこに連続的につながったTSSの特異なバンドリノーマリゼーションが観測された。そうした励起子状態は、光誘起された表面電子とバルク正孔が同じ運動量範囲において結合状態を形成し、最終的にTSS内にも励起子状態を生じさせるため、TSSのスピン偏極を受け継ぎ、z軸方向に空間的に分離されていた。これらの結果は、Bi₂Te₃をTSSの励起子凝縮の候補物質として確立するとともに、一般的には、モアレ励起子や量子井戸励起子などの他の空間的間接励起子の運動量空間での出現の探索や、非平衡多体トポロジカル物理の研究のための新しいパラダイムを開くものである。

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