新型量子材料的超快电子态和超快晶格动力学的研究

The newly discovered high-temperature superconductivity in iron-based solid material attracted broad interest in the world. Recently, researchers discovered that in monolayer FeSe on SrTiO3 the superconducting transition temperature could be higher than the temperature of liquid nitrogen and this discovery was later confirmed by scanning tunneling spectroscopy, angle-resolved photoemission spectroscopy, and in situ transport measurements. The transition temperature is much higher than that in the FeSe bulk material. Theory and angle-resolved photoemission spectroscopy experiment propose that the interface electron-photon coupling plays an important role in enhancing the transition temperature in monolayer sample. By combining the techniques of time- and angle-resolved photoemission spectroscopy and MeV ultrafast electron diffraction, we plan to to study the ultrafast electron and lattice dynamics in FeSe monolayer and its bulk material to reveal the difference between them and the possible different electron-phonon coupling. The aim of this research is to explore the pairing mechanism in monolayer FeSe thin film, providing experiment support for future high-temperature superconducting theory.

铁基超导材料是近年来新发现的高温超导材料，引起了广大研究者的兴趣。最近发现在SrTiO3表面上生长的单层FeSe薄膜材料具有超导转变温度超过液氮温度的超导电性，得到扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱和原位输运测量实验的证实，其超导温度远高于FeSe体材料中的超导转变温度。一些理论和角分辨光电子能谱实验认为单层FeSe薄膜中的高温超导电性跟界面的电子声子相互作用密切联系。我们计划结合时间分辨角分辨光电子能谱仪和兆电子伏特超快电子衍射对单层FeSe薄膜和FeSe体材料的非平衡电子态和超快晶格动力学进行研究，研究它们在激光泵浦作用后非平衡电子态可能存在的差异和可能的不同的电子声子相互作用。此项研究主要目的是探索单层FeSe薄膜中高温超导配对机制，为发展高温超导理论提供实验基础。

时间分辨技术是研究量子材料中多体相互作用、非占据电子态的新方法，能够探测平衡态实验手段所观察不到的量子现象。本项目主要研究内容为量子材料的超快电子结构研究，包括高温超导体、拓扑绝缘体、激子绝缘体。取得以下成果：1）成功研制一台高性能时间分辨角分辨光电子能谱仪，其能量分辨率为19 meV，时间分辨率为130 fs，接近于傅里叶极限，为国际同类仪器中先进水平；2）利用时间分辨技术，在空穴型磁性拓扑绝缘体中成功探测到其费米能级以上400 meV的狄拉克点，验证了其磁性拓扑性；3）利用时间分辨技术，探测到一种潜在激子绝缘体的裸带，从实验上得到其有效电子和空穴质量，并且推导出其电子关联不能由纯库仑相互作用形成，为激子绝缘体理论研究提供了新的依据；4）利用自旋分辨角分辨光电子能谱仪，在铜氧化物高温超导体中发现自旋动量锁定现象，指明高温超导理论必须考虑自旋轨道耦合相互作用。