探究某些氧化物中电子的“非常规减速”现象

根据阿贡材料科学家及其合作者们的研究显示：在应对光脉冲时，某些氧化物中电子会发生“非常规减速”现象。这种令人称奇的行为可能会形成与磁性、导电性甚至与超导有关的有用性能。
来源：阿贡国家实验室

在一项新研究中，美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的研究人员确定：某些氧化物中的电子，对光脉冲的反应会经历“非常规减速”这一过程。

研究人员称这种行为持续时间约为百万分之一秒，仍比传统电子恢复时间慢一百万倍。

Anand Bhattacharya是来自阿贡国家实验室的一名材料科学家，同时也是该研究的合著者，他说道：“这就好像电子在两种状态之间徘徊了两年或更久。而正常情况下，它可以在1分钟内做出决定。”该研究于5月4日发表在杂志《自然通讯》上。

在晶体中，所有原子都会形成一种周期性结构，这种结构被称为晶格。原子在三维空间中重复性排列。该空间中电子的性质通常遵循相同的周期性。

但在零下100华氏度下，在研究位于镧锶铁素体中的电子时，发现：其电子更利于与铁原子上的晶格和磁性相配合。这时会形成一种新的周期结构，称为磁驱动的、电荷有序的状态。

这种现象发生的温度更接近于相变温度——类似于32华氏度标志着从水到冰的相变温度。但这里研究的相变是特殊的，因为它标志着一个磁性绝缘体和一个非磁性金属之间的转变。Bhattacharya说，这种相变可能在作为“开关”时有用。这种情况下，材料的“开”和“关”这两种状态可让我们在金属、绝缘体、磁铁和超导体之间进行切换。

然而，被叫做La1/3Sr2/3FeO3的材料有一个惊喜。

“我们发现，电子从‘有序状态’中被踢出来后，会极为缓慢地返回它们的家园。这比我们之前预期的时间要长得多，”另一位合著者、阿贡物理学家Haidan Wen这样说道。

因为电子比晶格中原子更轻，所以它们对光脉冲的反应通常更快，在晶格停止之前就进入新的状态。但在这种情况下，电子恢复的时间要比晶格恢复的时间长得多。这是通过在先进光子源(APS) 光束7ID-C和纳米材料中心(CNM)中进行的实验所确定的。这两个机构都是科学用户设备办公室。

研究人员与阿贡国家实验室的科学家Richard Schaller一起在CNM上进行了瞬变光反射率测量，并观察到：随着温度逐渐接近相变温度，电子弛豫速度会减慢几个数量级。APS的互补硬X射线衍射测量了结构的变化，以确定晶格和电荷有序相的演化速度。

根据论文作者的观点，电子的异常行为可能是磁相互作用的结果。传统上，在一阶相变两边的两个区域是截然不同的，就像水和冰一样。然而，阿贡国家实验室理论学者Hyowon Park发现：由于磁相互作用接近于相变，实际上会有两种不同的电荷有序状态。

当激发态的电子试图回到电荷有序阶段时，它们会发现一个非常浅的下坡，进入道两个电荷有序状态之一，最终减慢了排序过程。关于电子如何在这两个电荷有序状态之间选择，还需进一步的实验工作以确定在微观层面上的认识。

对Bhattacharya和Wen来说，理解超快现象领域的这些“慢”过程，可能会给稳定或增加材料被光脉冲击中后惊人的瞬间寿命提供新途径。这些见解可能会揭示与磁性、导电性甚至超导有关的有用性能。

研究者们还使用了阿贡实验室的计算机资源中心。其他合著者分别来自伊利诺伊大学芝加哥分校、西北大学和都柏林城市大学。