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中國科學院物理研究所 SF5組供稿 第25期 2020年04月17日
北京凝聚態物理國家研究中心
高壓超快動力學:壓力誘導的聲子瓶頸效應

  超快光譜學和高壓物理學均為凝聚態物理的前沿領域之一。超快光譜方法因其特有的極高時間分辨率、Fermi面以上電子激發態探測、全波長寬譜能量范圍的相互作用、相干態和集體激發態的產生和探測、表面界面對稱破缺的探測等優勢在凝聚態物理特別是關聯量子材料的研究中有重要的應用,人們利用該方法已在高溫超導機理、復雜相變、多自由度耦合、激光相干調控、誘導新奇量子態等方面取得了很多重要研究成果;然而迄今超快光譜主要用于研究常壓下的凝聚態物性。另一方面,壓強是一種相對“干凈”的實驗手段,不會引入化學計量比、額外的電荷載流子以及晶格無序等,可以直接改變晶格間距進而調控材料的電子態,在發現新規律、新現象、新物理以及調控物性等方面有重要作用; 然而高壓領域至今關于激發態超快動力學和費米面以上的非平衡態高壓物性的研究還比較少,特別是能夠保證真正原位的高壓超快光譜實驗還鮮為人知。如何將二者結合起來,不但在儀器研發方面實現突破和進步,而且發現壓強誘導的超快動力學物性,這是一個有趣的有望開啟一個新的交叉領域的科學問題。由于pump–probe實驗有兩個光束需要空間重疊,關聯量子材料往往也有面內的漲落,這就需要確保在加壓和校壓過程中金剛石對頂砧原位不動。以往的原位高壓實驗多數情況是指樣品沒有拿出對頂砧,而整個對頂砧是拿出光路進行加壓校壓的,這在pump–probe這樣的雙光束實驗中尤其有可能帶來人為誤差。

圖1. On-site in situ高壓超快光譜實驗示意。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF5組趙繼民研究員及其博士后吳艷玲、碩士生加孜拉·哈賽恩,與北京高壓科學研究中心丁陽研究員及其碩士生尹霞合作,在高壓超快光譜學方面取得了重要進展,他們成功搭建了一套“真正原位(on-site in situ)”的高壓pump–probe超快光譜實驗裝置(圖1),并利用這套裝置研究了強關聯量子材料Sr2IrO4高壓超快動力學(圖2),首次觀測到了壓強誘導的聲子瓶頸效應,對應著電子結構中的能隙銳減(圖3)。此前所有已知的聲子瓶頸效應均為溫度調控所致,高壓誘導調控的聲子瓶頸效應尚屬新的物理知識。在整個實驗過程中沒有將高壓樣品腔移出光路,避免了樣品的移動和旋轉,明確增強了變壓超快數據的準確性和可靠性。該套裝置目前可實現的最大壓強調節范圍為45 GPa, 有望延拓至70 GPa乃至更高;時間分辨率則與傳統pump-probe實驗一致。該項研究將高壓物理學和超快光譜學有機結合,研究結果將帶動“高壓超快動力學”這一新分支領域的開啟、成型和發展,對促進極端條件下的凝聚態物理研究有重要意義。

圖2. 強關聯Sr2IrO4的高壓超快動力學實驗數據。
圖3. 壓強誘導的聲子瓶頸效應。三個超快弛豫分量的幅值和壽命。

  相關的研究結果發表在近期的[Chin. Phys. Lett. (Express Letter) 37, 047801 (2020)]上。研究獲得了科技部(2017YFA0303603, 2016YFA0300303, 2018YFA0305703)、中科院創新交叉團隊、對外合作重點項目(GJHZ1826, GJHZ1403)、先導專項(XDB30000000)、基金委(11774408, 11574383, 11874075, U1530402)、挑戰計劃(TZ2016001)、北京市自然科學基金重點項目(4191003)等支持。
  文章鏈接:http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/37/4/047801 

下載附件>> CPL 37, 047801 (2020) Express Letter.pdf
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