Ultraschnelle Dynamik von topologischem Material, das unter Druck untersucht wird

Ein Team unter der Leitung von Prof. Su Fuhai vom Hefei Institute of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat zusammen mit Forschern des Aerospace Information Research Institute und des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research untersuchten die Nichtgleichgewichtselektronen- und Phononendynamik des topologischen Isolators Sb2Te3 unter Druck und erforschten die ultraschnelle Photophysik über die elektronischen topologischen und Gitterstrukturübergänge.

Entsprechende Ergebnisse wurden in veröffentlicht Körperliche Überprüfung B.

Ultrakurzzeit-Spektroskopie kann die Entwicklung angeregter Zustände mit Femtosekunden-Zeitauflösung aufzeichnen und dann direkten Zugriff auf die ultraschnelle Dynamik ermöglichen, die die Abkühlung heißer Elektronen, kohärente Phononen, Elektron-Phonon-Kopplungen usw. umfasst. Druckmodulation mit einer Diamantstempelzelle (DAC) bietet eine einfache und saubere Möglichkeit, die Gitter- und elektronischen Strukturen in Materialien kontinuierlich anzupassen, was zu unterschiedlichen Phasenübergängen führt. In Hochdruckphasenmaterialien sind druckinduzierte elektronentopologische Übergänge (ETTs) ohne Gitterunterbrechung oft kritisch für thermoelektronische Eigenschaften und Supraleitfähigkeit. Die Untersuchung der Elektron-Phonon-Wechselwirkungen auf ETT bleibt jedoch eine Herausforderung.

In dieser Arbeit untersuchten die Forscher mithilfe von optischer Femtosekunden-Pump-Probe-Spektroskopie (OPPS) in Kombination mit DAC die ultraschnelle Phototrägerdynamik von Sb2Te3, einem der prototypischen topologischen Isolatoren.

OPPS wurde eingesetzt, um die Nichtgleichgewichtsrelaxationen des heißen Elektrons und des kohärenten akustischen Phonons im Zeitbereich von 100 Pikosekunden unter einem hydrostatischen Druck von bis zu 30 GPa zu verfolgen. Unterstützt durch Raman-Spektroskopie identifizierten die Forscher den ETT- und Halbleiter-Halbmetall-Übergang um 3 GPa und 5 GPa aus der Druckabhängigkeit von Phononenschwingungen, Relaxationszeitkonstanten und kohärenten Phononen.

Interessanterweise zeigte OPPS bei niedrigem Druck einen Heissphononen-Flaschenhalseffekt, der zusammen mit dem Einsetzen von ETT wirksam unterdrückt wurde. Dieses Phänomen wurde anhand des abrupten Anstiegs der Zustandsdichte und der Anzahl der Fermi-Taschen gemäß den berechneten elektronischen und Gitterstrukturen interpretiert.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Druckabhängigkeit der Phototrägerdynamik auch die Gitterstrukturübergänge einschließlich α-β- und β-γ-Phasenänderungen genau widerspiegeln könnte, sogar die gemischte Phase.

Diese Arbeit entwickelt nicht nur ein neues Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Elektron und Gitter in Sb2Te3, sondern kann auch einen Anstoß geben, die druckinduzierten topologischen Phasenübergänge auf der Grundlage der ultraschnellen Spektroskopie zu bewerten.