飛秒級(jí)延遲，挑戰(zhàn)固體物理學(xué)中的傳統(tǒng)假設(shè)

20世紀(jì)物理學(xué)最重要的成就之一，是建立了固體的量子力學(xué)理論。這使科學(xué)家得以理解某些材料如何以及為何導(dǎo)電，并理解如何有目的地改變這些性質(zhì)。例如，像硅這樣的半導(dǎo)體可用于制造晶體管，從而徹底革新了電子技術(shù)，并使現(xiàn)代計(jì)算機(jī)成為可能。

為了在數(shù)學(xué)上描述固體中電子與原子核及其運(yùn)動(dòng)之間復(fù)雜的相互作用，物理學(xué)家不得不作出一些簡(jiǎn)化。例如，他們假設(shè)原子中質(zhì)量較輕的電子會(huì)毫無(wú)延遲地跟隨晶體晶格中更重的原子核運(yùn)動(dòng)。在幾十年的時(shí)間里，這一被稱(chēng)為玻恩–奧本海默近似的假設(shè)一直運(yùn)作良好。

然而，在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，一組研究人員通過(guò)對(duì)一種由鈦、碳和氧原子層構(gòu)成的特殊二維材料進(jìn)行阿秒光譜學(xué)研究，得出了與既有假設(shè)有所不同的結(jié)論：在某些固體材料中，電子會(huì)以一定的延遲跟隨晶格中原子核的運(yùn)動(dòng)。

MXene中的意外發(fā)現(xiàn)

在新的研究中，研究人員所關(guān)注的是一種類(lèi)似于石墨烯的二維材料，名為MXene。在實(shí)驗(yàn)中，他們所使用的MXene材料由若干層構(gòu)成，其中鈦、碳和氧原子相互成鍵，形成晶格。正是在研究這種材料內(nèi)部的晶格振動(dòng)——聲子時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了電子運(yùn)動(dòng)中出乎意料的延遲。

為了研究晶格振動(dòng)，研究人員采用了阿秒光譜學(xué)——它有著極其高的時(shí)間分辨率，可達(dá)“十億分之一的十億分之一秒”（10?1?秒）的量級(jí)。

他們先是用一束短的紅外激光脈沖激發(fā)MXene中的晶格振動(dòng)，隨后再用一束極紫外阿秒激光脈沖照射材料，并測(cè)量有多少激光穿過(guò)了材料。根據(jù)脈沖的波長(zhǎng)，材料中的電子可以被激發(fā)去吸收紫外光子，從而躍遷到更高的能級(jí)。

最后，研究人員在不先激發(fā)晶格振動(dòng)的情況下重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)。他們隨后通過(guò)比較兩組結(jié)果的差異，便能推斷出電子與原子核的運(yùn)動(dòng)情況。

電子滯后的精確測(cè)量

在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員通過(guò)將兩束激光脈沖之間的時(shí)間間隔從幾飛秒（10?1?秒），得以非常精確地確定：電子對(duì)晶格振動(dòng)的突然激發(fā)作出反應(yīng)時(shí)，存在延遲——電子相對(duì)于原子核最多可滯后三十飛秒——在阿秒級(jí)的世界里，這已經(jīng)是非常長(zhǎng)的時(shí)間。而在標(biāo)準(zhǔn)的玻恩-奧本海默近似中，這樣的延遲是不應(yīng)該出現(xiàn)的。

最后，研究人員將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)這種比較，他們推斷出，原子核的振動(dòng)會(huì)影響電子的空間分布，而這種變化又會(huì)改變晶格中原子附近的電磁場(chǎng)。此外，電子之間的相互作用也發(fā)揮了重要作用。

但不僅如此，從數(shù)據(jù)中，研究人員甚至能夠看到MXene中不同原子附近的電子具有怎樣的行為。在單原子層面觀察電子與聲子之間的動(dòng)力學(xué)，甚至還能區(qū)分它們所處的狀態(tài)、化學(xué)鍵以及能量，這在過(guò)去是不可能做到的。

意義與應(yīng)用前景

研究人員希望，對(duì)電子與晶格振動(dòng)相互作用的新認(rèn)識(shí)，將促使物理學(xué)家建立超越傳統(tǒng)近似、更加精確的數(shù)學(xué)模型。他們的實(shí)驗(yàn)方法使得測(cè)量電子與晶格振動(dòng)之間的耦合強(qiáng)度成為可能。基于這一測(cè)量結(jié)果，他們得以預(yù)測(cè)在什么條件下，某些電子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)會(huì)更強(qiáng)或更弱。

而對(duì)能量與電荷傳輸更深入的理解，將使研究人員能夠更好地控制材料，從而為納米尺度的光電器件開(kāi)辟新的可能性。與此同時(shí)，在原子層面獲得的關(guān)于熱傳導(dǎo)的微觀洞見(jiàn)，也為開(kāi)發(fā)更小、更高效的電子元件提供了起點(diǎn)。

#參考來(lái)源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/01/electrons-lag-behind-the-nucleus.html

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1523

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Sergej Neb / ETH Zurich