物理所开展非平衡态光致电声耦合增强的动力学追踪研究-凯发k8官网手机客户端

　　固体材料中的电子-声子耦合是凝聚态物理领域的基本问题之一。近年来，随着超快激光技术的快速发展，利用光学手段对电声耦合作用进行调控受到了广泛关注。光调制的电声耦合行为在许多现象中具有重要意义，比如，光增强的超导电性[nature 516, 71 (2014)]、极化子生成[phys. rev. lett. 126, 227402 (2021)]和隐藏电荷序[nat. commun. 11, 43 (2020)]等等。这些电声耦合过程在能量转换、能量传输，以及太阳能电池的工业应用中起重要作用，也为量子功能材料的定向设计提供了必要的基础。

　　尽管实验上已观察到各种各样的光调控电声耦合现象，但由于激发态下复杂的相互作用以及各自由度之间相互耦合的动力学行为，还没有完全理解光调制电声耦合的特性和机理，光激发对于电声耦合及其动力学演变的影响仍不清楚。此外，在现有的研究中，受限于描述手段，即使在超快光激发下，电声耦合也通常被处理为基态下的情形。因此，建立非平衡态下电声耦合的有效描述，理解非平衡态电声耦合行为背后的机制，并追踪光激发对其动力学的调控，仍然是需要解决的关键问题。

　　通常光调制电声耦合需要通过光与物质的相互作用来实现。由于其独特的能带结构，石墨烯成为实现光调制电声动力学研究的优良平台。无能隙的dirac锥不仅可以产生宽频域和超快的光学响应，也为dirac费米子和声子之间提供了有效的共振电声耦合通道。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心sf10课题组博士生胡史奇、赵惠在孟胜研究员的指导下，利用自主开发的实时密度泛函分子动力学模拟方法（real-time time-dependent density-functional theory molecular dynamics，rt-tddft-md），深入研究了非平衡态下光致电声耦合增强的动力学机制。他们首先模拟了光激发石墨烯中的电子-声子动力学，发现电声耦合能够加速光载流子的弛豫并诱导出声子谱中的fano共振（图1）。在此基础上，通过分析光载流子与声子之间的能量转移速率，他们重构了非平衡态下电声耦合强度和有效电声耦合矩阵元的信息，并提出一种在激发态下实时表征和追踪电声耦合动力学的方法，得到的结果与实验进行对比，显示出良好的一致性。通过追踪电声耦合强度λ和有效电声耦合矩阵元的动力学行为，他们发现在光激发的石墨烯里，光生载流子的弛豫过程中存在着极大的光致电声耦合增强（图2），激发态时的电声耦合强度可比基态时增强数倍至十多倍。通过对能量分辨的电声耦合进行分析，他们发现这种超大增强源于光激发载流子的非平衡动态分布。这种非平衡分布为电子-声子的散射提供了额外通道，对于调制电声耦合至关重要（图3）。

　　激发态下的电声耦合依赖于光载流子状态，利用这一点不仅可以实现对电声耦合的实时测量，还可以通过光学技术对其进行精确操作。更有趣的是，由于电声耦合与各种光载流子动力学有关，光载流子的拓扑特性，如手性和能谷的选择性，将会为光调制的电声耦合带来新的物理和技术应用。该工作为表征和理解激发态下非平衡电声耦合提供了新的理论思路，主要结果以“tracking photocarrier-enhanced electron-phonon coupling in nonequilibrium”为题发表在npj quantum materials 7, 14 (2022)上。

　　此外，sf10课题组的博士生聂正蔚、孟胜研究员与南京大学李绍春课题组、松山湖材料实验室冼乐德课题组合作，发现了莫尔条纹异质结构中局域应力导致的电声耦合增强效应，这也是一种非平衡条件下的电声耦合调制。他们对不同转角的单层tite2与双层tise2堆叠的莫尔条纹异质结的局域结构和电声耦合性质进行了系统研究，发现小转角（~±0.5°）情况下莫尔图案呈现为棋盘状的三角形格子，并且在每个莫尔周期内都镶嵌了交替排列的2ⅹ2电荷密度波态和1ⅹ1正常态。相反，在较大转角的情况下，tite2表面均呈现为正常态，没有电荷密度波的形成。系统性的第一性原理计算分析揭示，这是由于小转角下莫尔晶格形成较强的局部应力，从而有效调制了材料的电声耦合强度导致的。令人惊奇的是，这种莫尔增强的电荷密度波态具有高于室温的转变温度，显著高于体材料（0k）和自由单层（约90k）时的情形。这项工作为未来基于电荷密度波的电子器件设计和应用提供了一个全新的材料平台，开拓了在1t相过渡金属硫族化物转角体系中探索奇异物性的新途径。相关成果以“moiré enhanced charge density wave state in twisted 1t-tite2/1t-tise2 heterostructures”为题，发表于nature materials（https://www.nature.com/articles/s41563-021-01167-0）。

　　上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科学院先导专项的资助。

图1. 光激发石墨烯中非平衡态载流子和声子的动力学过程。

图2. 光激发石墨烯中（a）非平衡态电声耦合强度随时间的变化，（b）光致增强效应（红线：光激发50fs后的结果；黑线：基态结果）。

图3石墨烯中非平衡态电声耦合作用的光致增强机理。

图4 1t-tite2/1t-tise2莫尔条纹的转角演化。(a, b) tite2/tise2转角异质结示意图；(c) 扫描隧道显微镜形貌图；(d-f) 不同转角下的高分辨扫描隧道显微镜形貌图；(g-i) 对应的莫尔晶格条纹示意图。