隨著超快技術(shù)的發(fā)展，超快激光脈沖激發(fā)條件下的凝聚態(tài)物質(zhì)的響應(yīng)，即非平衡態(tài)涌現(xiàn)出來(lái)的新物理現(xiàn)象，引起了人們的廣泛注意。超快物質(zhì)調(diào)控逐漸成為量子調(diào)控的新興研究方向。通過(guò)非平衡態(tài)的電聲耦合激發(fā)相干聲子調(diào)控材料中的鐵電、磁性、超導(dǎo)等性質(zhì)以及探索新型超快信息處理方式等研究方向體現(xiàn)出巨大的潛力。然而，目前非平衡態(tài)下的電子-聲子耦合的微觀物理圖像依然不清楚。

　　過(guò)去人們對(duì)于光激發(fā)條件下材料中電子和聲子的演化的理解一般是基于雙溫模型或者相應(yīng)的推廣模型。雙溫模型假設(shè)非平衡態(tài)下電子和聲子體系內(nèi)部形成熱平衡，這樣就可以用一個(gè)有效溫度來(lái)描述兩者的演化以及它們互相之間的耦合。推廣的多溫模型和更一般的玻爾茲曼方程可以從第一性原理出發(fā)計(jì)算光激發(fā)下電子和聲子的演化，為理解光激發(fā)下非平衡態(tài)物理現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。然而，這些模型都是基于微擾論得到的基態(tài)情況下電聲耦合矩陣元，沒(méi)有考慮電聲耦合矩陣元在光激條件下的變化。如果想充分理解非平衡態(tài)下電聲耦合的具體物理圖像和它在非平衡態(tài)物理現(xiàn)象中所扮演的重要作用，必須定量探究光激發(fā)條件下體系中電聲耦合矩陣元的變化以及相應(yīng)的電子態(tài)和聲子態(tài)的演化。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員，利用基于含時(shí)密度泛函理論的分子動(dòng)力學(xué)方法，結(jié)合凍結(jié)聲子法定量地探究了光激發(fā)條件下典型二維材料二硫化鉬中相干聲子的產(chǎn)生和電聲耦合強(qiáng)度的變化（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，光激發(fā)二硫化鉬中的聲子以聲子為主，并且光激發(fā)下模式的電聲耦合矩陣元會(huì)增大（圖2）。同時(shí)，聲子模式在光激發(fā)下出現(xiàn)了類(lèi)似于電子摻雜時(shí)出現(xiàn)的聲子軟化現(xiàn)象，這說(shuō)明光激發(fā)會(huì)影響體系中的介電屏蔽（圖3）。通過(guò)進(jìn)一步分析，他們發(fā)現(xiàn)電聲耦合的增強(qiáng)是由于光激發(fā)誘導(dǎo)電子-空穴對(duì)導(dǎo)致體系中的電子對(duì)聲子微擾的屏蔽減弱。除此之外，該研究定量化描述了光激發(fā)下體系中光激發(fā)載流子到晶格的能量弛豫速率隨時(shí)間的演化，建立了光激發(fā)條件下固體中非平衡態(tài)電聲耦合的清晰物理圖像（圖4）。

　　相關(guān)成果以Calibrating Out-of-Equilibrium Electron–Phonon Couplings in Photoexcited MoS₂為題發(fā)表在Nano Letters上。相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1 光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)減弱了電子對(duì)聲子微擾運(yùn)動(dòng)的屏蔽，從而導(dǎo)致電聲耦合增強(qiáng)。

　　圖2 可見(jiàn)光照射下單層二硫化鉬中電子和聲子的激發(fā)及其隨時(shí)間的演化。

　　圖3 光激發(fā)下聲子模式電聲耦合矩陣元的變化。

　　圖4 光激發(fā)下非平衡態(tài)電聲耦合主導(dǎo)的能量弛豫過(guò)程。