固體所在拓撲材料高壓超快動力學研究方麵取得進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部與廣東大灣區空天信息研究院 、中科院合肥研究院強磁場中心等團隊合作 ，研究了高壓下拓撲絕緣體Sb2Te3的電子和聲子動力學，探索了壓力對該材料電聲耦合強度 、相幹聲子以及熱聲子瓶頸等的影響 。相關結果以“Nonequilibrium electron and lattice dynamics of Sb2Te3 under pressure”為題發表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 105, 195109(2022))上 ，固體所博士後張凱為論文第一作者 ，蘇付海研究員為通訊作者 。

  超快光譜可以飛秒時間分辨率記錄激發態演化過程 ，進而獲得熱電子冷卻 、電聲子耦合 、相幹聲子激發等動力學信息 ；金剛石對頂砧高壓技術可連續調控材料的晶格和電子結構 ，實現不同量子態的抑製或誘導 。超快光譜和金剛石對頂砧相結合 ，對於探尋和理解高壓下電子拓撲相變、金屬-絕緣體轉變等重要物理現象和機製具有重要意義 。

  近年來 ，固體所計算物理與量子材料研究部研究人員已研製出基於飛秒激光的近紅外至太赫茲波段高壓超快光譜係統 ，並利用該技術在石墨烯 、砷化镓等材料的熱電子動力學壓力調控方麵取得了一定進展 (Appl. Phys. Lett. 117, 101105 (2020) ；Phys. Rev. Lett. 126, 027402 (2021) ；Optics Express, 29, 14058 (2021)) 。在此基礎之上 ，研究團隊以經典拓撲絕緣體Sb2Te3為研究對象，著重探究電子拓撲轉變過程中的超快動力學效應 。借助高壓下飛秒泵浦-探測光譜 ，測量了不同壓力下瞬態反射光譜 ，獲得了Sb2Te3的熱電子弛豫時間 、相幹聲學聲子壽命等參數和壓力的關係，並觀察到伴隨電子拓撲轉變的熱聲子瓶頸壓製效應（圖1） 。結合理論計算 ，發現其電子能態密度在電子拓撲轉變之上迅速增大，從而為熱電子和熱聲子提供更多的弛豫通道 ，有效提高電聲耦合強度 ，減弱熱聲子瓶頸效應 。由於超快光譜可探測偏離費米麵或能帶極值點的高能載流子弛豫過程 ，反映電子和聲子結構的色散細節以及高頻光學聲子相關的電聲子耦合 ，因而高壓超快光譜能夠清晰直觀地表征材料的電子拓撲及晶體結構轉變（圖2） 。

圖1. 不同壓力下的Sb2Te3的飛秒泵浦-探測反射光譜以及相幹聲子壽命 、快時間 、熱聲子瓶頸效應隨壓力的變化趨勢 。

圖2. 不同壓力下Sb2Te3的飛秒泵浦-探測反射光譜 。

   該研究首次揭示了高壓下Sb2Te3材料在電子拓撲轉變及晶格結構相變過程中的非平衡態電子和聲子動力學 ，深化了對該體係材料中電聲子相互作用的理解，為高壓下拓撲相變探測開辟了新途徑 。該工作得到了國家青年基金項目 、麵上項目和基金委國家重大科研儀器研製項目等的支持 。

       文章鏈接 ：