拓撲材料高壓超快動力學研究取得進展

近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所計算物理與量子材料研究部與廣東大灣區空天信息研究院、中科院合肥研究院強磁場科學中心等合作，探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。相關研究成果發表在Physical Review B上。

　　超快光譜可以飛秒時間分辨率記錄激發態演化過程，進而獲得熱電子冷卻、電聲子耦合、相干聲子激發等動力學信息；金剛石對頂砧高壓技術可連續調控材料的晶格和電子結構，實現不同量子態的抑制或誘導。超快光譜和金剛石對頂砧相結合，對于探尋和理解高壓下電子拓撲相變、金屬-絕緣體轉變等重要物理現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，并利用該技術在石墨烯、砷化鎵等材料的熱電子動力學壓力調控方面取得了進展【Applied Physics Letters, 117, 101105 (2020)；Physics Review Letters, 126, 027402 (2021)；Optics Express, 29, 14058 (2021)】。在此基礎之上，研究以經典拓撲絕緣體Sb₂Te₃為研究對象，著重剖析電子拓撲轉變過程中的超快動力學效應。研究借助高壓下飛秒泵浦-探測光譜，測量了不同壓力下瞬態反射光譜，獲得了Sb₂Te₃的熱電子弛豫時間、相干聲學聲子壽命等參數和壓力的關系，并觀察到伴隨電子拓撲轉變的熱聲子瓶頸壓制效應（圖1）。結合理論計算，研究發現其電子能態密度在電子拓撲轉變之上迅速增大，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。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，反映電子和聲子結構的色散細節以及高頻光學聲子相關的電聲子耦合，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構轉變（圖2）。

　　該研究首次揭示了高壓下Sb₂Te₃材料在電子拓撲轉變及晶格結構相變過程中的非平衡態電子和聲子動力學，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。研究工作得到國家自然科學基金青年科學基金項目、面上項目和國家重大科研儀器研制項目等的支持。