激子（Exciton）是凝聚态物理中的一个重要概念，指的是在固体中由电子和空穴通过静电吸引而形成的束缚态。这种束缚态类似于氢原子中的电子和质子之间的相互作用，但其形成机制和性质更为复杂。激子的发现和研究不仅推动了对固体中电子–空穴相互作用的理解，还在材料科学、光电子器件、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
激子的基本概念
激子是一种准粒子，它由电子和空穴组成，两者之间通过库仑相互作用结合在一起。在固体中，当电子从价带跃迁到导带时，会在价带留下一个空穴。这个电子和空穴之间的静电吸引形成了一个稳定的束缚态，即激子。
激子的形成通常发生在光子被吸收后，电子和空穴的复合过程中。激子的寿命通常很短，但它们在固体中可以传播，并且在某些条件下可以形成激子分子或激子复合体。
激子的分类
根据激子的大小和行为，激子可以分为两大类：Wannier（或Wannier-Mott）激子和Frenkel激子。Wannier激子在共价半导体和绝缘体中观察到，电子和空穴之间的距离远大于原子间距，因此晶体晶格对激子的影响主要通过平均介电常数来考虑。
Frenkel激子在分子或稀有气体晶体中常见，电子和空穴之间的距离与原子间距相当，因此激子被局域化在单个位置。
激子的性质
激子的性质取决于材料的结构和电子–空穴相互作用的强度。在低密度下，激子的行为类似于准粒子气体，但在高密度下，激子相互作用变得显著，例如形成由两个激子组成的激子分子（biexciton）。
激子的密度增加可能导致准粒子之间的距离接近其半径，导致激子塌缩，形成电子–空穴等离子体滴。在低激子密度下，激子可被视为玻色子，可能实现玻色–爱因斯坦凝聚，但激子流无法像超流氦或超导体那样持续存在，其寿命有限。
激子的应用
激子在材料科学和光电子器件中具有广泛的应用。例如，在钙钛矿纳米晶体中，激子的发光特性可以用于开发高效的光电器件。此外，激子在二维半导体和异质结构中的研究也取得了重要进展，这些材料的低维度和弱屏蔽特性促进了强库仑相互作用，导致室温下形成紧密束缚的激子。
单层过渡金属二硫族化合物及其异质结构展现出多种激子种类，包括亮激子和暗激子。此外，由于屏蔽效应减弱，形成了多粒子激子复合体，当激子与其他准粒子相互作用时形成。
激子的研究进展
近年来，激子的研究取得了许多重要进展。例如，德国科学家首次在拓扑绝缘体铋烯上造出激子，这一突破性进展为激子的研究开辟了新的途径。
此外，TDDFT（时间依赖密度泛函理论）在莫尔激子及其动力学中的应用也取得了重要成果，利用线性响应含时密度泛函方法（LR-TDDFT）结合分区杂化泛函，成功计算了包含上千原子的转角二维材料中的莫尔激子的基本性质及其物性调控。
结论
激子作为一种重要的准粒子，在凝聚态物理中具有重要的地位。通过对其性质和行为的研究，科学家们不仅加深了对固体中电子–空穴相互作用的理解，还在材料科学和光电子器件领域取得了重要进展。未来，随着研究的深入和技术的发展，激子的应用前景将更加广阔。