Manipulation des Polaronentransports durch laserinduzierte kohärente Phononen

Polaronen sind Quasiteilchen, die aus überschüssigen Elektronen bestehen, die mit virtuellen Phononenwolken umhüllt sind. Sie sind in Materialien allgegenwärtig und spielen eine Schlüsselrolle bei verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften, einschließlich Supraleitung, Photokatalyse und Ferroelektrizität. Allerdings wird die Trägermobilität bei der Bildung von Polaronen aufgrund der starken Trägerlokalisierung verringert, was die Leistung elektrischer Geräte beeinträchtigt, und eine wirksame Strategie zur Lösung dieses Problems fehlt noch.

Ultraschnelle Photoanregung ist eine effiziente Methode, um die Dynamik von (Quasi-)Partikeln unter Nichtgleichgewichtsbedingungen zu manipulieren. Allerdings beschränkten sich die meisten bisherigen ultraschnellen Experimente auf die Charakterisierung des Polaron-Bildungsprozesses und es wurden nur Spekulationen über den Polaron-Transportmechanismus präsentiert. Theoretische Studien, die auf der adiabatischen Näherung basieren, können nur die statischen und thermisch-dynamischen Eigenschaften von Polaronen aufdecken.

Wang Huimin und Liu Xinbao sowie Kollegen in der Gruppe von Prof. Meng Sheng vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben entdeckt, dass lasergesteuerte kohärente Phononen eine Steigerung der Polaronenmobilität um eine Größenordnung ermöglichen. Die Studie mit dem Titel „Riesige Beschleunigung des Polaronentransports durch ultraschnelle laserinduzierte kohärente Phononen“ wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Sie fanden heraus, dass die selektive Anregung bestimmter Schwingungsmoden die Energiebarriere des Polaron-Hoppings effektiv reduziert.

Aufgrund der starken nichtadiabatischen Kopplungen zwischen elektronischen und ionischen Subsystemen erfolgt die Phonon-Phonon-Streuung im q-Raum schnell innerhalb von Sub-Pikosekunden und löst die Migration polaronischer Deformationen aus. Die Ladungsträgermobilität im prototypischen polaronischen Material Li2O2 kann durch Abstimmung der Laserparameter um acht Größenordnungen erhöht werden, viel effizienter als thermische Effekte.

Diese Ergebnisse erweitern das Verständnis der Polaronendynamik auf das Nichtgleichgewichtsregime. Zum ersten Mal wird der nicht-thermische Weg zur ultraschnellen Steuerung von Polaronen vorgeschlagen, der die Designprinzipien optoelektronischer Geräte mit hohem Ein-Aus-Verhältnis und ultraschneller Ansprechbarkeit erneuern würde.