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稳健材料的激发

更新时间:2020-07-17 00:45点击:

在物理学中,它们是目前深入研究的课题;在电子领域,它们可以实现全新的功能。所谓的拓扑材料的特征是特殊的电子性质,也非常强大的外部扰动。这类材料还包括双氯化钨。在这种材料中,这种拓扑保护状态可以用特殊的激光脉冲在几万亿分之一秒(皮秒)内“打破”,从而改变其性质。这可能是实现极快的光电开关的关键要求。首次在基尔大学物理学家(标出),在合作与马克斯·普朗克化学物理研究所的研究员固体(MPI-CPfS)在德累斯顿,北京清华大学和上海理工大学,已经能够观察改变这种材料的电子性质在实时的实验。利用激光脉冲,他们将二氯化钨样品中的原子置于可控的激发态,并能够通过高精度的测量“实时”跟踪由此产生的电子特性变化。他们最近在科学期刊《自然通讯》上发表了他们的研究结果。

“如果这些激光引起的变化可以被再次逆转,我们基本上就有了一个可以被光学激活的开关,它可以在不同的电子状态之间改变,”CAU的固体物理学教授Michael Bauer解释说。在另一项研究中,美国的研究人员最近能够直接观察到双氯化钨的原子运动,从而预测了这种开关过程。在他们的研究中,来自中国科学院实验与应用物理研究所的物理学家们现在集中研究电子的行为,以及如何用激光脉冲改变同一材料中的电子属性。

具有特殊电子性质的韦尔半金属

“双氯化钨中的一些电子具有高度的流动性,因此它们是电子应用的优秀信息载体。这是因为它们表现得像所谓的韦尔费米子,”博士研究员佩特拉·海因在解释这种材料(也被称为韦尔半金属)的不寻常特性时说。韦尔费米子是具有特殊性质的无质量粒子,以前只能在像双氯化钨这样的固体中作为“准粒子”被间接观察到。“这是第一次,我们现在能够使电子结构的变化可见,在这些电子结构中这些韦尔属性被展示出来。”

为了捕捉电子性质中几乎可见的变化,需要高灵敏度的实验设计、极其精确的测量和对所获得数据的广泛分析。在过去的几年里,基尔的研究团队能够发展这样一个具有长期稳定性的实验。利用产生的激光脉冲,他们将二硫化钨样品中的原子置于振动激发状态。不同的重叠振动激发,进而改变了材料的电子性质。其中一种原子振动可以改变电子韦尔的性质。我们想弄清楚这种变化到底是什么样的,”Hein在描述这项研究的关键目标之一时说。

一系列快照显示属性如何更改

为了观察这个特殊的过程,研究小组在几皮秒后用第二束激光脉冲照射材料。这样就可以从样品中释放出电子,从而得出关于材料电子结构的结论——这种方法被称为“时间分辨光电子能谱法”。“由于曝光时间很短,只有0.1皮秒,我们得到了材料电子状态的快照。我们可以将许多单独的图像组合成一层薄膜,从而观察材料对第一次激光脉冲激发的反应,”Stephan Jauernik博士解释了测量方法。

在非常短的修改过程中记录单个数据集通常需要一周的时间。基尔研究小组使用一种新开发的分析方法评估了大量这样的数据集,从而能够可视化地看到双氯化钨的电子韦尔性质的变化。

极短的切换过程可以想象

鲍尔总结道:“我们的结果证明了固体原子的振动和双氯化钨不同寻常的电子特性之间敏感而高度选择性的相互作用。”后续研究的目的是研究这种电子开关过程是否能像其他拓扑材料理论上预测的那样,通过激光脉冲直接触发。