超快激光脈沖可以將材料激發(fā)至非平衡態(tài)，驅(qū)動原子做相位鎖定的協(xié)同振動，形成"相干聲子"。相干聲子的產(chǎn)生有多種微觀通道，其中最為常見的是位移激發(fā)（Displacive Excitation of Coherent Phonons,DECP）——體系的激發(fā)態(tài)勢能面指向新的平衡位置，使得原子經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)的晶格畸變（圖1）。相干聲子的位移激發(fā)為調(diào)控宏觀量子態(tài)提供了新的路徑，如增強(qiáng)超導(dǎo)、驅(qū)動鐵電相變、誘導(dǎo)室溫磁有序等。實(shí)驗(yàn)上，人們利用DECP在WTe?、MoTe?、ZrTe?等拓?fù)浒虢饘僦谐晒?shí)現(xiàn)了對非平庸電子態(tài)的超快調(diào)控。理論上，雖然唯象模型可以定性描述DECP過程，如何在DECP的框架下實(shí)現(xiàn)相干聲子的定向激發(fā)（圖1）仍不明確。

圖1. 通過相干聲子位移激發(fā)實(shí)現(xiàn)對晶格的定向調(diào)控

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF10組博士研究生王晨宇、博士后陳大強(qiáng)在王亞嫻副研究員、孟勝研究員的指導(dǎo)下，利用自主開發(fā)的非絕熱含時(shí)密度泛函分子動力學(xué)方法和軟件（TDAP），探究了狄拉克節(jié)線半金屬ZrSiS中相干聲子的定向激發(fā)和超快能帶重正化，在飛秒時(shí)間尺度揭示了DECP中非平衡電聲耦合的作用機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，光場作用下ZrSiS中會出現(xiàn)兩支全對稱的拉曼聲子和的相干位移激發(fā)，它們進(jìn)一步導(dǎo)致模式選擇的超快能帶重整化，即Dirac準(zhǔn)粒子以及布里淵區(qū)中心電子口袋的能量分別與和聲子保持同步振動。進(jìn)一步地，通過調(diào)節(jié)激發(fā)光波長(800 nm→514 nm)，觀察到相干聲子振動的相位反轉(zhuǎn)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對晶格畸變的定向調(diào)控，誘導(dǎo)出了超快拓?fù)銵ifshitz相變。隨后，結(jié)合唯象模型的第一性原理計(jì)算揭示了DECP中相干聲子振動的相位，即晶格畸變的符號，是由激發(fā)態(tài)載流子分布和電子-空穴對的電聲耦合強(qiáng)度共同決定。本研究發(fā)現(xiàn)的微觀機(jī)制具有普適性，為量子材料性質(zhì)的理性超快調(diào)控提供了有效且通用的路徑。

相關(guān)研究成果以Directional Pumping of Coherent Phonons and Quasiparticle Renormalization in a Dirac Nodal-Line Semimetal為題，發(fā)表于Physical Review X?15,021053 (2025)。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

編輯：ThymolBlue