层状结构物质量子特性的超快光谱研究

We investigate the quantum properties of layer-structured matters, using ultrafast optical spectroscopy. We investigate the generation and detection of coherent phonons in layered materials and also the ultrafast dynamics of the carrier charges and spins. Particular interest is given to the phase transition, along with other quantum properties, for the layer-structured materials under external magnetic and electric fields, change of temperature, and modification of layer numbers. Specific nonlinear spectroscopy techniques that are sensitive only to surfaces and interfaces will be developed and imployed to investigate the light-matter interaction in layered materials. We aim at abtaining pictures of xy-resolved electron-electron scattering and electron-phonon interaction. If possible we further understand co-existing properties between different layer-structured matters, especially those of intrinsic quantum nature.

研究层状结构物质的量子特性，实验手段为超快光谱。研究层状材料样品的相干态声子的产生和探测，载流子的电荷和自旋的超快动力学过程。研究外加磁场、偏置电压、变温以及改变样品层数等条件下的层状结构物质的相变及相关的量子特性。发展仅对表面界面敏感的非线性超快光谱技术以研究光与层状材料的相互作用。努力获得xy平面随角度而改变的电子-电子散射、电子-声子相互作用的图象。如有可能，进一步理解层状结构物质所具有的共性,特别是深刻的量子物性。

本项目申请书中计划采用超快光谱方法研究层状结构物质的量子特性，主要内容包括两方面：（1）基于晶格上的层状原子排列的量子行为；（2）载流子的限域二维特性（见申请书）。. 本项目为期四年，我们顺利地完成了计划，在重点内容方面取得了一定的突破，并产生了一系列的亮点工作。具体地，在第（1）方面，我们利用超快光谱方法集中深入地研究了单层FeSe/SrTiO3界面超导体的超导相变，首次基于超快光谱方法独立地提供了超导相变的判据，并对超导机制提供了电子-声子耦合强度等重要的实验依据，这是只有界面处层状原子排列的结构才具有的量子行为。在第（2）方面，我们用超快和连续激光在MoS2片层中、MoSe2片层中、Graphite的片层中分别成功地诱导实现了电子的相干性，这是应用纯相干的非线性光学效应SSPM来实现的激光诱导的集体行为，存在于具有二维限域特性的体系的载流子，是所有层状材料所具有的共性。此外，我们还研究了拓扑半金属Cd3As2和强关联体系Sr3Ir2O7里的相干态声子，以及它们在变温过程中所经历的相变，等等，也属于项目的研究内容。. 受此项目资助我们共发表了SCI论文9篇，其中以负责人为责任通讯作者的发表了PRL（IF=7.645）1篇，PNAS（IF=9.423）1篇，Scientific Reports（IF=5.228）4篇， APL（IF=3.142）1篇，合作发表PRB 1篇，Scientific Reports 1篇，所有9篇文章影响因子均超过了3。以上工作都以资助号的形式明确标注了基金委此面上项目的资助。除此之外，尚有很多实验数据正在整理中，即将发表于上述期刊。. 本项目开启了我国在高温超导体（特别是界面超导体）的超快动力学研究方面的先河，实现了光与物质相互作用研究在高温超导体等强关联体系中的重要应用，特别是实验直接观测了电子-声子耦合强度，在以光学方法研究超导体方面取得了崭新的突破。另一方面，本项目在激光诱导的量子态方面迈出了坚实的一步，实现了对二维限域体系电子相干性的调控，是我国在激光诱导的低能元激发方面屈指可数的突破和成绩。总之，这两个方面都将各自开辟出一片新的天地，分别使得层状量子材料的超快光谱学展现出广阔的前景。