《Science》：新的雷射技術捕獲量子材料的動力學過程

2020-11-17 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：來自英屬哥倫比亞大學（ University of British Columbia (UBC）的研究人員，發展了一個新的極端紫外（UV）雷射源，可以實現時間分辨光電子能譜（time-resolved photoemission spectroscopy），這是一種可以在超快的時間層面對電子的散射過程進行可視化觀察。

光電子能譜可以幀動畫方式記錄，一個電子在固體是如何與一定的原子的振動相互作用的，在一些材料中捕獲導致電阻形成的原因和宏觀的量子現象如超導性。在振動和電子之間的散射現象，稱之為聲子，會導致電子改變它的方向和能量。這一聲子的相互作用是材料中奇異相產生的基礎。

極端紫外雷射的超快脈衝在白色的等離子體中的氣體射流中發生，螢光屏中可見的藍色點和 氧螢光的黃色光束

電子的相互作用的方式和他們的微觀環境決定了所有固體的性質，研究人員MengXing Na 說到，一旦我們識別了佔據主流的決定材料性質的微觀相互作用，我們就可以找到一個向上或向下的相互作用來引出有用的電子性質。

採用超快雷射脈衝，研究人員從他們的通常的平衡環境中激發了單個的電子。使用一個二次雷射脈衝，在實際中類似照相機快門，他們捕獲了電子是如何同周圍的原子在時間層面是如何散射的，且在時間上要快於百萬兆分之一秒。由於我們實驗裝置的高度敏感性，我們可以直接進行測量，同時是首次測量，激發的電子是如何在一個特定的原子振動或聲子中進行相互作用的。

研究人員在石墨烯，就是一個碳的一種晶體結構中進行實驗。使用時間-角分辨光電子譜，他們激發了石墨烯中的電子和監控其消逝的過程，同時伴隨著聲子的釋放。這些消逝過程的時間常數提供了在當前的實驗系統中電子-聲子耦合的直接信息。散射過程對電阻的貢獻可以限制以碳為基礎的電子在納米光子中的應用。

控制電子和原子之間的相互作用對於量子材料的應用是非常重要的，包括超導材料，這一材料可以用於核磁共振技術的設備中和高速磁懸浮列車，並且可以在將來的某一天用於能量的傳輸。通過應用這些前言技術，我們現在可以準備來揭示高溫超導性的難以捉摸的秘密和許多量子材料迷人的現象。

這一研究成果發表在頂刊《Science》上。

編輯點評： 電子和聲子的耦合-即在固體中的晶格振動，是宏觀量子現象如超導性產生的主要因素。然而，實驗來測量這一動量變化和對特定的聲子模式進行觀察是非常困難的。採用時間和角解析度的光電子能譜技術來激發石墨烯中的電子和監控其消逝過程，這一過程同時伴隨著聲子的釋放。這些消逝過程的時間常數提供了電子-聲子在這一系統中耦合的直接信息。

文章來源：Science 06 Dec 2019: Vol. 366, Issue 6470, pp. 1231-1236，DOI: 10.1126/science.aaw1662，Direct determination of mode-projected electron-phonon coupling in the time domain。

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