激光脉冲捕获未被探索的极化子态

技术研究 QuantumWire 2026-06-29 15:28

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2026年6月24日——在一项国际实验中，研究人员观察到了Jahn-Teller极化子——这种准粒子可能在未来超快自旋电子器件中发挥重要作用。这些极化子出现在氧化钴的晶格中，而氧化钴是通过精心定制的激光脉冲被激活的。

当氧化钴晶体暴露在精心定制的激光脉冲下时，这些脉冲会诱发晶格中特定的局部畸变，从而强烈影响材料的结构、电学和磁学特性。这些揭示氧化钴意想不到特性的关联性实验方法，是由一个大型国际科学家团队共同实施的，团队成员来自帕维亚大学（意大利）、洛桑联邦理工学院（瑞士）、保罗·谢勒研究所（瑞士）、德克萨斯大学奥斯汀分校、麻省理工学院以及东北大学（美国）。这一现象的理论描述——它使得揭示所观察到的振荡本质成为可能——是由克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的物理学家在波兰国家科学中心的资助下完成的。

化学催化剂、电池电极、光伏电池和半导体气体传感器——这些仅仅是氧化钴（Co₃O₄）的现代应用之一。尽管其化学式简单，但其晶格单胞却由多达56个原子组成：24个钴原子和32个氧原子。根据其在单胞中的位置，钴原子以两种氧化态存在。对物理学家特别有吸引力的是，当一个钴离子被四个氧离子包围时，它会失去两个电子（因此带+2电荷），而当被六个氧离子包围时，则会失去三个电子（此时带+3电荷）。这一特性意味着氧化钴具有非常丰富的电子和磁结构，使其成为自旋电子学应用中的一种有趣材料，而自旋电子学被广泛认为是传统电子学的继任者。

“在我们研究所，我们之前曾对磁铁矿（人类已知的最古老的磁性材料）的物理性质进行建模。就晶体结构而言，所研究的氧化钴与磁铁矿的不同之处仅在于它含有钴原子而非铁原子。因此，对于实验同事们交给我们的任务——确定他们记录到的氧化钴晶格中相干振动的性质——我们已做好了充分准备，”IFJ PAN的Przemyslaw Piekarz教授博士表示。

为了理解这项发表在著名期刊《美国化学学会杂志》上发现的本质，有必要解释声子的概念。正如光子是电磁场的量子一样，声子则是晶格振动的量子。因此，声子应被理解为一种能够在材料晶格中传播的振动波，其特点是具有精确定义的波长，从而具有特定的能量。

在报告的实验中，一层厚度仅为27纳米的氧化钴薄膜首先被一个泵浦激光脉冲激发，然后在经过可控延迟后，由第二个探测激光脉冲进行探测。该实验被重复多次，同时系统地改变泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟时间。测量是在两种不同的泵浦脉冲能量下进行的，分别对应红光和蓝光；两者都揭示了氧化钴明显不同的行为。

使用红色泵浦光时，从样品反射的信号中出现了强度振荡；IFJ PAN的物理学家能够明确地将这些振荡与氧化钴中允许的最低能量声子（特别是拉曼活性声子）的存在联系起来。更引人注目的是用蓝色泵浦光观察到的相干振荡，因为它们在原始氧化钴中完全不存在。理论分析揭示了以下事件序列。

当蓝色泵浦脉冲的一个光子击中材料时，一个电子可以从氧离子跳跃到钴（3+）离子上，从而使其变成钴（2+）离子。晶格立即以钴离子周围的结构变化作为响应，变得不对称，六个邻近氧离子中的两个发生主要位移。这导致了电荷过剩和特征性的晶格畸变，形成了一种被称为Jahn-Teller极化子的极化子。