纳米尺度下电子声子超快动力学研究

Ultrafast science studies the non-equilibrium state and structural dynamics in the microscale world of material, and tries to find the underlying mechanism controlling the motion of material universe. The nature of motion in the material world is the movement of energy: the conduction and conversion of energy among and between different energy systems related to different degrees of freedom. Thus the deeply understanding the dynamic behavior of energy carrier is key to the studies of ultrafast science. In the ultrafast studies of condense matter, electron and phonon are the common energy carriers and the major dynamic behaviors are diffusing and coupling. This application will reveal the energy conduction and conversion of electron and phonon of different samples at the nanoscale will be revealed with femtosecond time resolution. Then we can further understand the physical mechanism of ultrafast coupling and diffusing of electron and phonon at the nanoscale, which will support more ultrafast science studies. In addition, we combine ultrafast electron diffraction and improved femtosecond transient thermoreflectance in this study. The former will focus on structural dynamics of lattice and the latter is for electron. Combining the two ultrafast techniques will provide full-aspect information of the target. Therefore, we can try to develop a new combined mode for the study in ultrafast science.

超快科学致力于微观物质世界的非平衡态和结构动力学研究，试图揭示控制物质世界各种运动的潜在机制。物质世界运动的本质是能量运动：能量在空间上的传递与不同能量体系间的转化。因此，深入认识能量载流子动力学行为是超快科学研究的重要基础。在凝聚态相关的超快研究中，电子和声子是最常见的能量载流子，扩散和相互耦合是其动力学的主要表现。本项目将采用两种类型的薄膜样品，通过在飞秒时域上探测电子和声子在不同类型样品中纳米尺度上的传递和转化行为特征，进一步揭示纳米微观尺度上电子和声子超快扩散与耦合的物理过程，为更广泛的超快科学研究提供支持。该研究还将有机地结合两种超快研究技术：超快电子衍射研究晶格结构超快动力学过程，改进的飞秒瞬态热反射技术探测电子超快动力学过程，通过系统对比和分析两方面的时间分辨测量信息，尝试开拓超快科学“复合”研究的新模式。

超快科学致力于微观物质世界的非平衡态和结构动力学研究，试图揭示控制物质世界各种运动的潜在机制。物质世界运动的本质是能量运动：能量在空间上的传递与不同能量体系间的转化。本项目通过系统研究铝晶格受800nm飞秒激光泵浦后超快结构动力学过程，发现了其中存在非热致成分，改变了传统理论所认为的金属晶格动力学过程都是热致过程，电子跃迁会加速晶格动力学过程，铝的非热致熔化是可能的。该研究揭示了电子跃迁在晶格动力学过程具有不可忽视的作用。本项目还研究了单晶金，黑磷和1T-TaS2等材料的晶格超快结构动力学过程，发现金的晶格动力学过程时间尺度在20ps左右，是单一的电声子耦合；黑磷的晶格动力学过程存在三个时间常数，表明其热平衡过程存在明显的各项异性；1T-TaS2中激子和空穴通过改变晶格平衡位置直接将能量转移给晶格，在前几个皮秒，晶格动力学主要由激子和空穴以及热电子改变势能曲面来驱动，热声子效应极弱。该系列研究揭示了晶格的初始分布会影响电子和晶格之间能量转移机制。此外，本项目还参与了本实验室的DBA-MeV超快电子衍射装置升级，将该系统的时间分辨率提高到了50fs。50fs时间分辨率可以用来观测更快更精细的超快过程，将极大扩展现有超快电子衍射装置的应用范围。