发表在这期的《科学进展》杂志上的一篇重要论文中，由剑桥大学领导一个国际团队报告说，发现了一种物质异常相的证据，利用这种物质异常相的特性可以提供一种更简单的室温、节能手段，这为能够在不损失能量的情况下共享信息的新技术铺平道路，这种“物质异常相的新证据使节能技术更为接近”。

该研究团队由英国剑桥大学卡文迪许实验室、日本东京工业大学物理系、美国熨斗研究所计算量子物理中心、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学数学与物理学院、印度科学教育与研究学院物理系、美国哥伦比亚大学物理系、瑞士弗里堡大学物理系、印度科学研究所物理系（按论文作者顺序）的科学家组成。

论文题为：“室温下激子绝缘体Ta2NiSe5中集体模式的相干传播成像”，可见该论文中有这样几个关键词：室温下激子绝缘体Ta2NiSe5、集体模式、相干传播成像。

该研究实验所发现的这种物质异常相，被称为激子绝缘体相，英语：ExcitonicInsulatorphase，简称EI相。上世纪60年代，诺贝尔奖获得者Mott提出这一激子绝缘相的概念，Mott提出考虑库仑屏蔽效应，在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子，可能会导致体系失稳，从而在半金属费米面处打开能隙，形成激子绝缘体状态。

但这种激子绝缘相一直未具体发现到。实验上观测激子绝缘体相是科学家们50年来一直想解决的关键科学问题。激子绝缘体相存在及其玻色-爱因斯坦凝聚的确凿证据并不充分，主要是由于激子的寿命较短，带来观测上的困难。现在，该研究团队发现了这一激子绝缘体相的证据。

激子绝缘体在平衡状态下承载电子-空穴对的凝聚物，从而产生集体多体效应。尽管几种材料已成为激子绝缘体的候选材料，但缺乏长程相干性的证据，并且这些系统中有序相的起源仍存在争议。

在研究一种量子材料时，领导这项研究的剑桥大学的研究人员观察到，当将材料暴露在短而强的激光脉冲下时，会出现意想不到的快速能量波在材料中涟漪。他们能够通过使用微型高速摄像机进行这些观察，该摄像机可以在许多其他技术具有挑战性的规模上跟踪微小且非常快速的运动。这种技术用两个光脉冲探测物质：第一个脉冲扰乱它并产生波或振荡，以同心圆向外传播，就像将石头扔进池塘一样；第二个光脉冲在不同时间拍摄这些波的快照。放在一起，这些图像使他们能够观察这些波浪的行为，并了解它们的“速度限制”。

该研究通过使用超快泵浦探针显微镜，研究可能的激子绝缘体Ta2NiSe5。在K以下，观察到相干模式在~10^5/秒的速度下的异常微米级传播，该研究将其归因于声子模式和冷凝物的相位模式之间的混合。

该研究开发了一个理论框架来支持这种解释，并提出电子相互作用对Ta2NiSe5中的有序相起到重要作用。这些结果能够了解冷凝物的集体模式如何传输能量，并与其他自由度相互作用。该研究为在强相关材料中研究和操纵这些特性提供了独特的范例。

按照物理学家们推理，在一个临界温度下，在半导体和半金属小带隙中的弱筛选库仑相互作用，可能导致在基态形成的激子缩合物（图A）。

如图所示Ta2NiSe5的超快泵浦探针显微镜技术。(A)顶部：Ta2NiSe5晶体结构。Ta和Ni原子的交替链赋予材料准一维性质，并独立地承载导带和价带状态。底部：原初激子绝缘相的电子能带结构示意图。高于临界温度(Tc)，材料接近半导体-半金属转变（此处描绘为能隙为Eg的半导体）。在Tc以下，激子结合能(Eb)超过单粒子间隙(Eg)，导致宏观相干状态。(B)具有光致透射率变化(ΔT/T)信号的样品位置处的测量设置示意图。白点和虚线圆圈是在分析中平均信号的像素区域示例。（C）存在电子-声子耦合的激子绝缘相可能的低能激发结构示意图。材料的声子模式与相位模式混合，导致混合声子相位模式，k=0时的相位模式色散中的能隙小于声子能量Eph,i.模式的声子和相位内容表示为从绿色（纯相位模式）到红色（纯声子模式）的颜色渐变。（D）光致透射率变化（ΔT/T）作为在泵浦区域中心收集的泵浦探针延迟时间及其FT功率密度的函数。

在该研究所提出的理论框架中，凝聚是由一个U(1)连续对称性的自发破坏引起的，它描述了价带和导带中电荷的独立守恒。因此，这种宏观状态将伴随着特征集体激发，包括振幅（希格斯）模式和无间隙相位（戈德斯通）模式，就像超导体等其他相关系统的情况一样。后一种集体模式的出现将导致有趣的量子现象，例如超流体传输。

论文第一作者、剑桥卡文迪许实验室物理学家、HopeBretscher解释说，“室温下，这些波的移动速度是光速的百分之一，比我们在普通材料中预期的要快得多。但是当我们达到更高的温度时，就好像池塘已经结冰了，”“我们根本没有看到这些波远离。我们花了很长时间寻找为什么会发生这种奇怪的行为。”似乎符合所有实验观察结果的唯一解释是，该材料在室温下承载着物质的“激子绝缘体”相。

领导这项研究的卡文迪什实验室的物理学家AkshayRao说，“在激子绝缘体中，观察到的能量波由可以以类电子速度移动的带电中性粒子支持。重要的是，这些粒子可以传输信息而不受耗散机制的阻碍，在大多数常见材料中，这些机制会影响带电粒子就像电子一样，”“与超导相比，这种特性可以提供一种更简单的室温、节能计算途径。”

剑桥团队随后与世界各地的理论家合作，开发了一个关于激子绝缘相如何存在的模型，以及为什么这些波会以这种方式表现。

论文作者之一、东京工业大学的YutaMurakami表示，“理论家在几十年前就预测到了这个异常阶段的存在，但要看到这方面证据的实验挑战意味着只有现在我们才能够应用以前开发的框架来更好地了解它在真实材料中的行为。”

论文作者之一、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学数学与物理学院DenisGolez说：“无耗散的能量转移挑战了我们目前对量子材料传输的理解，并为理论家们的未来操纵开辟了新的途径。”

研究人员总结道：“这项工作使我们更接近于实现一些可以利用这一特性的令人难以置信的节能应用，包括在计算机中。”

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