物理學家實現了過渡金屬中電子在光學振蕩周期內重新分布情況的測量

圖片來源：蘇黎世聯邦理工大學超快激光物理組

上圖中短激光脈衝（紅色振蕩線）與鈦原子晶格（圖中下半部分）的設置和相互作用的圖示。紅色和藍色結構代表鈦原子附近電子密度的重新分布。右下角顯示了密度變化的特寫。

蘇黎世聯邦理工大學物理系的研究人員測量了所謂的過渡金屬中的電子是如何在光學振蕩周期的一小部分內重新分布的。他們觀察到電子在不到一個飛秒的時間內集中在金屬原子周圍。這種重新組合可能會影響這些化合物的重要宏觀性質，如導電性、磁化或光學特性。因此，這項工作提出了一種在極快的時間尺度上控制這些特性的方法。

電子在過渡金屬中的分布，在化學元素周期表中占很大的一部分，是它們應用中許多有趣的特性的原因。例如，這組材料的一些成員的磁性能被開發用於數據存儲，而其他成員則表現出良好的導電性。過渡金屬對新材料也具有決定性的作用，因為電子之間的強相互作用會產生更奇特的行為。這類材料有望在未來廣泛應用。

在他們的實驗中，Mikhail Volkov與Ursula Keller教授超快激光物理小組的同事們將過渡金屬鈦和鋯的薄箔暴露在短激光脈衝下，他們的結果發表在今天的《自然物理學Nature Physics》雜誌上。他們通過記錄金屬在極端紫外線（XUV）域中光學性質的變化來觀察電子的再分配。為了能夠在足夠的時間解析度下跟蹤誘導的變化，測量中使用了持續時間僅為幾百阿秒（10-18秒）的XUV脈衝。

通過將實驗結果與漢堡馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所的Angel Rubio教授所開發的理論模型進行比較，研究人員確定，在不到一個飛秒（10-15秒）的時間內發生的變化是由一個修正引起的。離子在金屬原子附近的電子局部化。該理論還預測，在外電子殼層填充更強烈的過渡金屬中，會出現相反的運動，也就是說，預計電子會發生離域。

材料性能的超快控制

電子分布定義了材料內部的微觀電場，這種電場不僅將固體結合在一起，而且在很大程度上決定了其宏觀性質。通過改變電子的分布，人們也可以控制材料的特性。Volkov等人的實驗證明這在時間尺度上是可能的，時間尺度比可見光的振蕩周期要短得多（大約兩個飛秒）。更重要的是發現時間尺度比所謂的熱化時間要短得多，也就是說，在這個時間內，電子會通過自身與晶體間的碰撞，沖走外部控制電子分布的影響。

最初的驚喜

起初，令人驚訝的是，激光脈衝將導致鈦和鋯中電子位置的增加。自然界的一個普遍趨勢是，如果束縛電子具有更多的能量，它們將變得不那麼局部化。支持實驗觀察的理論分析表明，電子密度的增加局部化是過渡金屬原子特徵部分填充d-軌道更強填充的凈效應。對於已經填充了一半以上的d軌道的過渡金屬（即周期表中更靠近右邊的元素），凈效應是相反的，對應於電子密度的離域。

更快的電子元件

雖然目前報告的結果具有基本性質，但實驗證明了快速修改材料性能的可能性。這種調製用於電子和光電子，用於處理電子信號或傳輸數據。目前的組件處理頻率在吉赫茲（109赫茲）範圍內的信號流時，Volkov和同事的結果表明在皮赫茲（1015赫茲）頻率下處理信號的可能性。因此，這些相當基本的發現可能會為下一代更快的組件的開發提供信息，並通過這些組件間接地進入我們的日常生活。

來源：https://phys.org/news/2019-08-physicists-electrons-transition-metals-redistributed.html

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