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极端超快时间尺度下激子的双重特性:类似原子还是类似固体?

极端超快时间尺度下激子的双重特性:类似原子还是类似固体?

 据外媒报道,激子是可以通过固体物质传输能量的准粒子。这使得它们对未来材料和设备的发展非常重要--但需要更多的研究来了解它们的基本行为和如何操纵它。米兰理工大学的研究人员与光子和纳米技术研究所 IFN-CNR 以及筑波大学(日本)和马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所(德国汉堡)的一个理论小组合作,发现一个激子在受到光的刺激时可以同时拥有两种完全不同的特性。

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  他们的工作最近发表在《自然通讯》上,为当前和未来的激子研究提供了关键的新见解。

  在固体中,激子由一个带负电的电子和一个带正电的空穴组成。它们是一种所谓的“多体效应”,由许多粒子的相互作用产生,特别是当一个强光脉冲击中固体材料时。在过去的十年中,研究人员已经观察到了“多体效应”,其时间尺度短到令人难以想象,换句话说,是十亿分之一秒。

  然而,由于许多粒子相互作用时的超快电子动力学的复杂性,科学家们仍然没有对激子和其他“多体效应”达成基本的理解。来自米兰理工大学、筑波大学和马克斯-普朗克结构与动力学研究所(MPSD)的研究小组希望通过采用最先进的阿秒瞬时反射光谱和微观理论模拟来探索 MgF2 单晶中光诱导的超快激子动力学。

  通过结合这些方法,该团队发现了激子的一个全新属性。它们可以同时显示出原子状和固体状的特征。在显示原子特征的激子中,电子和空穴通过其库仑引力紧密地结合在一起--就像原子中的电子被原子核所结合一样。另一方面,在具有类似固体特征的激子中,电子在固体中更自由地移动,与海洋中的波浪不一样。

  “这些是重要的发现。”来自米兰理工大学的主要作者 Matteo Lucchini 说:“因为了解激子如何在这些极端的时间尺度上与光互动,使我们能够设想如何利用它们的独特特性,促进建立一类新的电光设备。”

  在 ERC 项目 AuDACE("Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials")中的 Attosecond 研究中心(ARC)进行的阿托秒实验中,研究人员首次成功观察到激子的亚飞秒动态,其信号由慢速和快速部分组成。来自 MPSD 和筑波大学的共同作者 Shunsuke Sato 补充说,这一现象用先进的理论模拟进行了解释:“我们的计算澄清了信号的慢分量源自激子的类原子特性,而快分量则源自类固体特性--这是一个突破性的发现,它证明了激子的双重特性是共存的!”

  这项工作为通过光操纵激子以及材料的特性开辟了一条重要的新途径。它代表了向深入理解物质中的非平衡电子动力学迈出的重要一步,并为未来超高速光电设备、电子学、光学、自旋电子学和激子学的发展提供了基础知识。

来自: cnBeta

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