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二維拓撲材料MoTe2中發現光激發誘導的亞皮秒時間尺度結構相變

用各種物理手段（電場、磁場、壓力、摻雜等）創造新的物態或調控不同量子物態是凝聚態物理領域廣受關注的研究前沿，并有巨大的應用前景。而超短脈沖激光的飛速發展使得光激發調控復雜量子材料的晶體結構和電子性質成為可能。層狀過渡金屬二硫化物MoTe2可以形成幾種不同的晶體結構并具有不同的物理性質或拓撲能帶結構，為調控或切換不同結構相變提供了可能性。最近量子材料科學中心王楠林課題組和合作者利用超快泵浦探測和時間分辨的二次諧波探測技術，研究了MoTe2中兩個半金屬相之間激光誘導的亞皮秒時間尺度的結構相變。 MoTe2是由MoTe6八面體結構單元構成的原子層沿c方向堆疊形成的二維材料系統，不同的堆疊方式具有不同晶體對稱性。1T-MoTe2在室溫時是單斜的1T’相，隨著溫度降低在250K時發生結構相變，轉變成正交的T_d相，其中可以存在第二類外爾費米子。王楠林課題組通過實驗發現高強度的近紅外激光脈沖可以在亞皮秒時間尺度內將中心反演對稱性破缺的T_d相驅動到具有中心反演對稱的1T’相。該相變發生的最明顯的特征是時間分辨的反射率變化中橫向剪切振蕩聲子的消失和二次諧波強度的急劇下降。通過選擇和改變激發脈沖的脈寬和波長，從實驗上排除了激光加熱效應。該項研究首次在超快亞皮秒尺度內實現了激光誘導的非加熱效應引起的MoTe2晶體中第二類Weyl半金屬相與正常半金屬相的超快結構相變。它為超快激光控制固體的拓撲特性開辟了新的可能性，使超快激光激發的拓撲開關器件具有潛在的實際應用價值。該工作于2019年5月22日在線發表于著名學術期刊Physical Review X（Phys. Rev. X 9, 021036 (2019)），第一作者為量子材料中心博士生張夢瑤，王楠林教授和其研究組的董濤博士是通訊作者，量子材料科學中心王健教授研究組為該工作提供了樣品。該項研究得到國家自然科學基金委員會、國家重點研究開發項目等項目的支持。

北京大學 2021-04-11

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