拓扑量子态的超快动力学研究

Topological quantum states compose one of the important cutting-edge research areas of condensed matter physics. Currently there are two major experimental challenges: detecting the non-trivial topological quantum states (e.g. the topological surface states, the Fermi arcs) and observing novel effects emergent from topological properties (e.g. chiral magnetic effect). Focusing on the interaction between light and topological quantum materials, we apply ultrafast optical spectroscopy to Dirac and Weyl topological semimetals. We will systematically investigate the quasi-particle ultrafast dynamics, the generation and detection of coherent phonons, and the angle-resolved as well as multiple wavelength range ultrafast spectroscopy. We aim to solve the key fundamental problems such as evidencing non-trivial topological quantum states by ultrafast spectroscopy, observing quantum effects due to topological properties, and realizing laser-induced non-trivial topological states. Based on the current techniques and theoretical investigations, we further extend experimental means by combining low temperature, high magnetic field, and THz ultrafast spectroscopy together, paving new ways for investigating topological states using ultrafast nonlinear optical means. We look forward to fundamental breakthroughs in the field of “interaction between light and topological quantum states”.

拓扑量子态是当前凝聚态物理前沿领域的重要研究内容。目前研究的主要挑战有两个方面：实验探测非平庸拓扑量子态（例如拓扑表面态、费米弧等），以及起源于拓扑属性的新奇物理效应（例如手性磁效应等）。本项目从光与拓扑量子材料的相互作用的角度出发，利用超快光谱学实验手段，对Dirac型和Weyl型拓扑半金属体系进行系统的准粒子超快动力学、相干态声子的产生探测、角分辨多波段的超快光谱等研究，旨在解决若干关键科学问题：采用超快光谱学手段探测新奇拓扑量子态的存在，观测拓扑属性引起的量子效应，以及实现激光诱导的拓扑非平庸量子态及其调控。在已有实验技术和理论研究的基础之上，拓展低温-磁场-THz光谱综合测量实验手段，探寻超快非线性光学手段研究拓扑量子态的新途径，在光与拓扑量子态的相互作用领域取得突破和进展。

本项目主要研究了拓扑量子态的超快动力学，包括磁性Weyl半金属、Dirac半金属、节线拓扑绝缘体、三重简并拓扑量子材料等的（1）准粒子超快动力学、（2）相干态声子、（3）电声子耦合强度、（4）非线性光谱、（5）在线原位高压超快光谱技术和仪器。项目顺利地完成了计划的内容，取得了重要的突破和成果，产生了关键实验数据，并开启了新的学科方向：.（1）通过自旋分辨的准粒子超快动力学实验在磁性Weyl半金属Co3Sn2S2中发现了自旋极化的能隙、拓扑相变、拓扑引起的温度逆依赖的声子瓶颈效应、Weyl Node Annihilation的实验证据、TWNA = 130 K。研究了Weyl半金属TaAs的准粒子超快动力学，观测到其电声耦合强度λ<Ω3>/<Ω>2 ≈ 5.2 ps−1。此外，研究了LaBi, MoP的准粒子超快动力学。.（2）研究了Dirac半金属Cd3As2的相干态声子，得到了晶格中螺旋空位引起的光学支相干态声子，发现了声子拍频现象，观测到拓扑相变。观测到相干态声学支声子，发现了声子的啁啾现象。研究了过渡金属铱氧化物Sr3Ir2O7中的相干态声子，发现了极强的赝自旋-晶格耦合强度，以及其引起的声子异常和负的热膨胀。.（3）将pump-probe超快光谱技术与金刚石对顶砧(DAC)技术相结合，原创研制了在线原位（on-site in situ）的高压超快泵浦-探测实验装置，避免了复位误差等人为误差问题，提出了标准描述。研究了Sr2IrO4在高压下的超快动力学，发现了压力诱导的声子瓶颈效应。有望开辟高压超快动力学新领域新方向。.（4）研究了铁基 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se的超快动力学，获得了该电-声子耦合强度。发现在所有最优掺杂的铁基超导体中，超导转变温度与电声耦合强度之间都存在正相关关系，为理解铁基超导体的高温超导机理提供了重要实验依据，表明电声耦合在铁基超导体中起着重要的作用。.共发表了14篇SCI论文，IF为4左右或更高的论文6篇，均为通讯作者并标注了此项目资助号。培养博士生8名，毕业博士2人，硕士2人，出站博士后2人。获北京市科学技术奖。受邀做APS三月会议等国际会议邀请报告11次国内9次。成功举办了“关联量子材料的超快光谱”国际学术会议，显著地促进了国际上本领域科学的发展。