JILA 和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員創新地使用定時雷射脈衝，為量子材料行為提供了新的視角，有助於探索超導機制。為了設計出具有超導等獨特性能的材料，科學家深入研究了電子與稱為聲子的振動粒子之間的量子相互作用。

光誘導的雙極子對極子形成扭曲了準一維原子晶格，在偽間隙的形成過程中扮演了重要角色。資料來源：Steven Burrows/Murnane 和Kapteyn 小組

當電子和聲子強烈相互作用時，它們的行為就像”準”粒子，而不是單一的孤立粒子。這些相互作用以極短的時間尺度發生：電子之間的相互作用以飛秒（10-15秒）甚至更快的速度發生，而聲子的反應則更慢，在數百飛秒內發生，因為較重的原子比電子移動得慢。

為了研究這些相互作用，科學家通常會改變材料的溫度、壓力或化學成分，並測量其電學特性，以了解這些相互作用。然而，承載不同交互作用的材料可能會表現出非常相似的特性，這就為精確定位這些交互作用的確切性質帶來了挑戰。

為了克服這個問題，JILA 研究生張穎超與JILA 研究員Henry Kapteyn 和Margaret Murnane 以及科羅拉多大學博爾德分校物理學教授Rahul Nandkishore 合作，利用一種強大的新方法精確識別量子材料中的聲子相互作用，研究成果發表在《奈米快報》（Nano Letters）雜誌。他們利用超精確、定時的雷射脈衝和極紫外線脈衝，測量了響應時間，並精確地看到了電子和聲子是如何相互作用的。這種方法為更好地控制和操縱量子材料鋪平了道路。

在這項新研究中，研究人員比較了兩種不同材料（(TaSe4)2I 和Rb0.3MoO3，又稱銣藍青銅）中的電子在受到光的輕微擾動後的反應。這些材料之所以是一維（1D）材料，是因為如相應的圖所示，它們沿著一個方向具有強鍵，而在垂直方向上的鍵較弱。這迫使電子和聲子之間發生強烈的相互作用，使這些材料的特性非常依賴量子現象。

從歷史上看，這兩種材料都被認為有一個由電子和聲子之間的耦合產生的小的絕緣間隙，稱為極子。在試圖理解極子內部的量子相互作用時，這種絕緣間隙會造成問題，因為要激發材料內部的任何相互作用變得非常困難。

然而，與這項實驗工作同時進行的史丹佛大學的一項最新研究表明，某些材料中的絕緣間隙可能是由極子相互作用產生雙極子（或極子對）而產生的。由於小型雙極子與玻色子（一種基本粒子）具有相似的性質，一些專家推測，雙極子可能會產生一種玻色愛因斯坦冷凝物（BEC），這可能是材料超導的一種機制。

JILA和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員指出，他們的實驗可以在這種雙極子情況下自然地得到解釋，表明(TaSe4)2I材料是一種雙極子絕緣體。Nandkishore解釋說：”這是一個很好的例子，說明理論與實驗的結合可以帶來新的見解。”

超越材料鬆弛時間

為此，研究團隊使用超快雷射脈衝溫和地激發兩種材料中的若干電子。然後，使用波長比可見光短十倍的超快極紫外脈衝來準確觀察電子被激發的能量和位置。透過追蹤激發電子的能量和位置，研究人員可以看到(TaSe4)2I 中雙極子熔化成單極子的特徵。

除了了解是什麼相互作用導致了絕緣間隙，研究人員還觀察到兩種材料的弛豫時間不同。弛豫時間，即材料從應力、熱或光中恢復所需的時間，根據材料內部的量子相互作用而變化。

在(TaSe4)2I中，晶格中的原子需要重新排列，因為雙極子會熔化成單極子。這個過程大約需要250 飛秒，然後在1500 飛秒內緩慢弛豫到雙極子基態，如相應的圖所示。

Nandkishore 補充說：”觀察激發電子的位置並測量其弛豫時間的能力，為了解這些材料中的微觀相互作用提供了新的視角，而傳統的實驗技術是無法做到這一點的。”

相較之下，Rb0.3MoO3 中的電子對光的反應和弛豫時間要快十倍（約60 飛秒），這清楚地表明，電子之間的相互作用一定是這種一維材料產生絕緣間隙的原因。這種更快的弛豫時間似乎與一種不同的物理理論（即盧廷格-液體理論）相吻合。

在魯丁格液體中，電子的運動更像是音樂會上的人群，而不是單一的電子。它們彼此強烈互動，形成一種集體行為。這種集體行為使液體像絕緣體一樣，拒絕傳導電流。

這種由JILA 和科羅拉多大學博爾德分校研究人員展示的新方法還可用於揭示其他材料（如超導體和二維材料）中量子準粒子相互作用的性質。

「我們很高興能夠精確探測材料中電子、聲子和自旋之間在基本時間尺度上的相互作用，從而揭示這些材料具有其特性的原因，並學習如何操縱它們，」Murnane 說。

編譯自: ScitechDaily