在特殊材料类别中实时观察到的极快的电子变化

时间：2021-10-15 17:52:09 来源：

拓扑材料，例如二碲化钨，这里是超高真空室中的样品，具有特殊的电子特性，并且对外部干扰非常坚固。

在物理学中，它们目前是深入研究的主题。在电子产品中，它们可以启用全新的功能。所谓的拓扑材料具有特殊的电子特性，这些特性对于抵抗外部干扰也非常稳定。该材料组还包括二碲化钨。在这种材料中，可以使用特殊的激光脉冲在几万亿分之一秒（“皮秒”）之内“破坏”这种拓扑保护状态，从而改变其特性。这可能是实现极快的光电开关的关键要求。基尔大学（CAU）的物理学家与德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所（MPI-CPfS），北京清华大学和上海理工大学的研究人员首次能够观察到实时实验中该材料的电子特性。使用激光脉冲，他们将二碲化钨样品中的原子置于受控激发状态，并且能够通过高精度测量来跟踪电子特性的“实时”变化。他们最近在科学杂志《自然通讯》上发表了他们的研究结果。

电子特性异常的Weyl半金属

CAU固态物理学教授Michael Bauer解释说：“如果这些由激光引起的变化能够再次逆转，那么我们基本上就可以通过光学方式激活该开关，并且可以在不同的电子状态之间进行切换。”另一项研究已经预测到了这种转换过程，美国的研究人员最近能够直接观察到二碲化钨中的原子运动。在他们的研究中，来自CAU实验与应用物理研究所的物理学家现在专注于电子的行为，以及如何使用激光脉冲改变同一材料中的电子性质。

为了记录二碲化钨的电子特性几乎看不见的变化，需要高度敏感的实验装置，这是基尔（Kiel）的研究团队在过去几年中开发的。

“二碲化钨中的一些电子具有很高的移动性，因此它们是电子应用中极好的信息载体。这是由于它们的行为像所谓的Weyl费米子。”博士研究员Petra Hein解释说，这种材料具有非同寻常的特性，也称为Weyl半金属。魏尔费米子是具有特殊性质的无质量粒子，以前仅在二碲化钨这样的固体中被间接观察为“准粒子”。“现在，我们第一次能够使显示出这些Weyl特性的电子结构区域的变化可见。”

激发材料会改变其电子性能

为了捕获电子性能中几乎看不见的变化，需要进行高度灵敏的实验设计，极其精确的测量并对获得的数据进行广泛的分析。在过去的几年中，基尔研究小组能够开发出具有必要的长期稳定性的实验。利用产生的激光脉冲，它们将二碲化钨样品中的原子置于振动激发状态。出现了不同的重叠振动激发，进而改变了材料的电子性能。“已知其中一种原子振动会改变电子Weyl特性。我们想确切地发现这种变化是什么样的，”海恩说，他描述了这项研究的主要目标之一。

一系列快照显示了属性如何变化

为了观察这一特定过程，研究小组在几皮秒后用第二个激光脉冲照射了材料。这从样品中释放出电子，从而可以得出关于材料的电子结构的结论-该方法被称为“时间分辨光电子能谱”。“由于只有0.1皮秒的短曝光时间，我们获得了材料电子状态的快照。我们可以将许多这些个体图像组合成胶片，从而观察材料如何受到第一个激光脉冲的激发反应。” Stephan Jauernik博士说，他解释了测量方法。

在极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此类数据集，从而能够可视化二碲化钨的电子Weyl特性的变化。

可以考虑极短的开关过程

鲍尔总结道：“我们的结果表明，固体原子的振动与二碲化钨的异常电子特性之间存在灵敏且高度选择性的相互作用。”后续研究旨在调查是否可以通过辐射激光脉冲直接更快地触发此类电子开关过程，如理论上已经针对其他拓扑材料所预测的那样。

参考：Petra Hein，Stephan Jauernik，Hermann Erk，Lexian Yang，Yanpeng Qi，Yan Sun，Claudia Felser和Michael Bauer于2020年5月26日在Weyl半金属候选物 Td -WTe2中的电子-声子相互作用的模式分辨互易空间映射，自然通讯.DOI：
10.1038 / s41467-020-16076-0

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