超快定时激光脉冲揭示更多量子材料的独特性能

光诱导的双极子对极子形成扭曲了准一维原子晶格，在伪间隙的形成过程中发挥了重要作用。资料来源：Steven Burrows/Murnane 和 Kapteyn 小组

当电子和声子强烈相互作用时，它们的行为就像"准"粒子，而不是单一的孤立粒子。这些相互作用以极短的时间尺度发生：电子之间的相互作用以飞秒（10-15秒）甚至更快的速度发生，而声子的反应则更慢，在数百飞秒内发生，因为较重的原子比电子移动得更慢。

为了研究这些相互作用，科学家通常会改变材料的温度、压力或化学成分，并测量其电学特性，以了解这些相互作用。然而，承载不同相互作用的材料可能会表现出非常相似的特性，这就给精确定位这些相互作用的确切性质带来了挑战。

为了克服这个问题，JILA 研究生张颖超与 JILA 研究员 Henry Kapteyn 和 Margaret Murnane 以及科罗拉多大学博尔德分校物理学教授 Rahul Nandkishore 合作，利用一种强大的新方法精确识别量子材料中的声子相互作用，研究成果发表在《纳米快报》（Nano Letters）杂志上。他们利用超精确、定时的激光脉冲和极紫外线脉冲，测量了响应时间，并精确地看到了电子和声子是如何相互作用的。这种方法为更好地控制和操纵量子材料铺平了道路。

在这项新研究中，研究人员比较了两种不同材料（(TaSe4)2I 和 Rb0.3MoO3，又称铷蓝青铜）中的电子在受到光的轻微扰动后的反应。这些材料之所以是一维（1D）材料，是因为如相应的图所示，它们沿一个方向具有强键，而在垂直方向上的键较弱。这就迫使电子和声子之间发生强烈的相互作用，使这些材料的特性非常依赖于量子现象。

从历史上看，这两种材料都被认为有一个由电子和声子之间的耦合产生的小的绝缘间隙，称为极子。在试图理解极子内部的量子相互作用时，这种绝缘间隙会造成问题，因为要激发材料内部的任何相互作用变得十分困难。

然而，与这项实验工作同时进行的斯坦福大学的一项最新研究表明，某些材料中的绝缘间隙可能是由极子相互作用产生双极子（或极子对）而产生的。由于小型双极子与玻色子（一种基本粒子）具有相似的性质，一些专家推测，双极子可能会产生一种玻色-爱因斯坦冷凝物（BEC），这可能是材料超导的一种机制。

JILA和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员指出，他们的实验可以在这种双极子情况下自然地得到解释，表明(TaSe4)2I材料是一种双极子绝缘体。Nandkishore解释说："这是一个很好的例子，说明理论与实验的结合可以带来新的见解。"

超越材料松弛时间

为此，研究小组使用超快激光脉冲温和地激发两种材料中的若干电子。然后，使用波长比可见光短十倍的超快极紫外脉冲来准确观察电子被激发的能量和位置。通过跟踪激发电子的能量和位置，研究人员可以看到 (TaSe4)2I 中双极子熔化成单极子的特征。

除了了解是什么相互作用导致了绝缘间隙，研究人员还观察到两种材料的弛豫时间不同。弛豫时间，即材料从应力、热或光中恢复所需的时间，根据材料内部的量子相互作用而变化。

在 (TaSe4)2I中，晶格中的原子需要重新排列，因为双极子会熔化成单极子。这个过程大约需要 250 飞秒，然后在 1500 飞秒内缓慢弛豫到双极子基态，如相应的图所示。

Nandkishore 补充说："观察激发电子的位置并测量其弛豫时间的能力，为了解这些材料中的微观相互作用提供了新的视角，而传统的实验技术是无法做到这一点的。"

相比之下，Rb0.3MoO3 中的电子对光的反应和弛豫时间要快十倍（约 60 飞秒），这清楚地表明，电子之间的相互作用一定是这种一维材料产生绝缘间隙的原因。这种更快的弛豫时间似乎与一种不同的物理学理论（即卢廷格-液体理论）相吻合。

在鲁丁格液体中，电子的运动更像是音乐会上的人群，而不是单个的电子。它们彼此强烈互动，形成一种集体行为。这种集体行为使液体像绝缘体一样，拒绝传导电流。

这种由 JILA 和科罗拉多大学博尔德分校研究人员展示的新方法还可用于揭示其他材料（如超导体和二维材料）中量子准粒子相互作用的性质。

"我们很高兴能够精确探测材料中电子、声子和自旋之间在基本时间尺度上的相互作用，从而揭示这些材料具有其特性的原因，并学习如何操纵它们，"Murnane 说。

编译自:ScitechDaily