通过激光诱导物质在多个结构相之间的转变，可在超高响应速度下操控材料的功能特性，目前已经成为量子材料及超快科学领域的研究热点。在相变过程中，电子及声子系统可以被相干激发，体系的能量耗散将导致费米子(如电子)和玻色准粒子(如声子、磁振子)具有复杂的弛豫路径，可能涉及多个声子模式之间的散射[Science 366, 1231 (2019); Phys. Rev. Lett. 119, 036803 (2017)]。构建能够解耦不同自由度之间相互作用的理论模型，不仅可用于理解复杂的相变过程，同时也将为材料及器件的理论设计提供依据。对于单层的过渡金属硫族化合物（TMD）而言，其晶体结构由过渡金属中的d轨道电子数目及配位场导致的能级劈裂所决定。在众多的TMD材料中，1L-MoTe₂的半导体性2H相和金属性1T'相之间的能量差非常小，每个单胞仅有42 meV 的差别（图1），可以通过改变温度、施加应力及电子掺杂等方法进行多相调控。2015年，韩国科学家首次实现了利用激光调控2H到1T' 相的转变[Science 349, 625 (2015)]，但人们对超快光学控制有序相变的认识仍相当有限，一直停留在基于基态能量分析的层次上, 值得进一步深入研究。
图1. a-c.激光诱导1L-MoTe₂中半导体2H相到金属1T'相转变的微观图像；d.绝热及非绝热相变时沿着相变路径的能量变化。e-f.相变过程中三个阶段的势能面变化及载流子分布。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟胜研究员指导博士后关梦雪和博士生刘新豹、陈大强等人系统地研究了1L-MoTe₂从半导体到金属的超快结构相变。研究表明，在弱场激发下，只有面外A'₁的及面内E'的两个喇曼活性的光学支声子被激发，原子仅在其平衡位置附近做简谐振荡。这两个声子模式对应体系的电子-声子耦合强度最大，并且诱导的原子运动将导致体系势能面的不对称变化，因此结构的变化是定向的。
图2. a-c.强光场及高温下的声子激发。d.几个主要的声子振荡模式。
在强场激发下，1L-MoTe₂的相变可以分为三个阶段。在光场激发后，A'₁及E'两个模式的声子激发幅度约为弱场时的三倍（图2），并在0.4 ps之后退相干，强度逐渐衰减并转化为其他声子模式，表现为非谐运动。而倒空间M点的声学支声子[LA(M)]及平面内的E''模式依次出现，导致有序的结构畸变。在1 ps的时间范围内，半导体2H相已经转变成非平衡的金属性2H*相，在更长的时间尺度下将会转变为热平衡的1T' 态。该项研究发现光激发可以有效地降低相变能垒（图1d），然而这种有序的声子激发导致的相变过程与高温下热平衡情况明显不同（图2c)。
图3. 不同频率光场激发下的电子占据情况及原子的受力方向。
通过分析载流子的能量分布，作者发现上述相变过程可以归因于光生载流子诱导的电子-声子相互作用（图3）。当载流子占据在不同能量范围的导带上时，原子受力明显不同。例如，当电子占据较高能量的导带时，施加在原子上的力分别沿着A1′" role="presentation" style="font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, "Helvetica Neue", Arial, "Noto Sans", sans-serif, "Apple Color Emoji", "Segoe UI Emoji", "Segoe UI Symbol", "Noto Color Emoji"; text-align: left; background-color: rgb(255, 255, 255); display: inline; line-height: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial;">A'₁及E'振动矢量的方向，而当电子被激发到导带底，沿着A'₁及E'振动矢量的原子受力明显减弱，而使Mo-Mo键收缩的力开始占据主导（[LA(M)]）。因此可以通过控制激光的强度及频率操控结构转变的路径，为实现半导体-金属相变指出了明确的参数范围。同时，由于2H相是单层1L-TMD中最常见的基态结构，也是各种多层及体相材料的基本组成单元。在不同TMD中声子散射路径的相似和差异之处将为设计更多的非平衡相变过程提供理论指导。
相关成果近日发表在《物理评论快报》( Phys. Rev. Lett. 128, 015702 (2022)) 上。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导专项(B类)及博士后面上基金的资助。
