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(qū)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、相干聲子以及熱聲子瓶頸等的影響。相關(guān)結(jié)果以“Nonequilibrium electron and lattice dynamics of Sb2Te3 under pressure”為題發(fā)表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 105, 195109(2022))上，固體所博士后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(fā)態(tài)演化過程，進而獲得熱電子冷卻、電聲子耦合、相干聲子激發(fā)等動力學信息；金剛石對頂砧高壓技術(shù)可連續(xù)調(diào)控材料的晶格和電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同量子態(tài)的抑制或誘導(dǎo)。超快光譜和金剛石對頂砧相結(jié)合，對于探尋和理解高壓下電子拓撲相變、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變等重要物理現(xiàn)象和機制具有重要意義。

  近年來，固體所計算物理與量子材料研究部研究人員已研制出基于飛秒激光的近紅外至太赫茲波段高壓超快光譜系統(tǒng)，并利用該技術(shù)在石墨烯、砷化鎵等材料的熱電子動力學壓力調(diào)控方面取得了一定進展 (Appl. Phys. Lett. 117, 101105 (2020)；Phys. Rev. Lett. 126, 027402 (2021)；Optics Express, 29, 14058 (2021))。在此基礎(chǔ)之上，研究團隊以經(jīng)典拓撲絕緣體Sb2Te3為研究對象，著重探究電子拓撲轉(zhuǎn)變過程中的超快動力學效應(yīng)。借助高壓下飛秒泵浦-探測光譜，測量了不同壓力下瞬態(tài)反射光譜，獲得了Sb2Te3的熱電子弛豫時間、相干聲學聲子壽命等參數(shù)和壓力的關(guān)系，并觀察到伴隨電子拓撲轉(zhuǎn)變的熱聲子瓶頸壓制效應(yīng)（圖1）。結(jié)合理論計算，發(fā)現(xiàn)其電子能態(tài)密度在電子拓撲轉(zhuǎn)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(yīng)。由于超快光譜可探測偏離費米面或能帶極值點的高能載流子弛豫過程，反映電子和聲子結(jié)構(gòu)的色散細節(jié)以及高頻光學聲子相關(guān)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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干聲子壽命、快時間、熱聲子瓶頸效應(yīng)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(zhuǎn)變及晶格結(jié)構(gòu)相變過程中的非平衡態(tài)電子和聲子動力學，深化了對該體系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、面上項目和基金委國家重大科研儀器研制項目等的支持。

       文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.195109