2026年1月,國際頂尖學術期刊《科學》發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文,題目為 《局部場揭示原子級非絕熱載流子-聲子動力學》(Local fields reveal atomic-scale nonadiabatic carrier-phonon dynamics)。
這項研究由蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)的 Ursula Keller 和 Lukas Gallmann 團隊領銜,并與馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所(MPSD)合作完成。該研究代表了我們對物質最基本運行規(guī)律理解的一次重大飛躍。
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一、 挑戰(zhàn)百年物理學假設:絕熱近似的失效
近一個世紀以來,物理學家一直依賴于 “玻恩-奧本海默近似”(Born-Oppenheimer approximation)。該理論假設,由于電子的質量比原子核輕數千倍,其運動極快,因此能夠“瞬時”響應晶格(聲子)的任何變動。在這種觀點下,電子云始終與原子的位置保持平衡狀態(tài)。
然而,隨著電子器件縮小到原子尺度并以拍赫茲(PHz)速度運行時,這種“瞬時”響應的假設開始失效。蘇黎世聯(lián)邦理工學院的團隊試圖回答一個極具挑釁性的問題:當電子趕不上原子核的步伐時,會發(fā)生什么?
二、 實驗突破:阿秒級的精準捕捉
為了觀察這些極短瞬間的動態(tài),研究人員選擇了 MXenes(具體為Ti?C?Tx)作為研究對象。這是一種類似石墨烯的二維材料,由鈦、碳和氧組成,具有極佳的導電性以及強烈的電子-振動相互作用。
團隊采用了最尖端的 “阿秒核心能級瞬態(tài)吸收光譜”(Attosecond Core-Level Transient Absorption Spectroscopy) 技術:
- 激發(fā):利用短紅外激光脈沖激發(fā)晶格,使其產生振動(相干聲子)。
- 探測:利用持續(xù)時間僅為阿秒(10^{-18}秒)的極紫外脈沖,對電子的響應進行“抓拍”。
- “指紋”識別:通過觀察核心能級的躍遷,研究人員可以分辨出特定原子位點(如鈦原子與碳原子)上的電子是如何反應的。
三、 核心發(fā)現:32 飛秒的“動作遲緩”
這項研究最令人震驚的發(fā)現是證實了非絕熱動力學的存在——即電子運動與原子核運動“脫節(jié)”的情況。
- 電子滯后(Electronic Lag):實驗發(fā)現,電子并沒有與晶格同步運動。相反,它們落后于原子振動約32±8飛秒。
- 空穴的瞬時響應:有趣的是,“空穴”(電子留下的空位)的響應幾乎是瞬時的,延遲僅為約7±7飛秒。
- 局部場效應(LFE《科學》重磅:物理學百年假設失效!捕獲電子32飛秒的“反應遲鈍”):研究表明,隨著原子移動,局部電磁環(huán)境(局部場)會發(fā)生變化。這些場就像極其敏感的指標,揭示了這種滯后具有“軌道特異性”,主要發(fā)生在鈦原子的 d 軌道上。
四、 對未來技術的意義
這一發(fā)現不僅是理論物理學的勝利,更對未來技術有著巨大的影響:
- 超快電子學:當我們將計算速度推向太赫茲(THz)甚至拍赫茲(PHz)時,電子在晶格振動后“復位”的速度限制將成為最終的瓶頸。這篇論文定義了這個物理極限。
- 材料設計:通過理解特定軌道和位點的動態(tài),科學家可以設計出在載流子傳輸過程中能量損失(發(fā)熱)更小的材料。
- 量子信息:在量子系統(tǒng)中,保持“相干性”是關鍵。了解電子何時以及如何與環(huán)境脫節(jié),有助于設計更穩(wěn)定的量子比特。
結語
《局部場揭示原子級非絕熱載流子-聲子動力學》為“探測和控制”物質提供了一個全新的框架。它帶我們超越了 20 世紀物理學的靜態(tài)“快照”,進入了一個全新的時代:在這里,我們可以實時觀察能量與物質之間阿秒級別的起舞。
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