日本筑波大学计算科学中心、德国汉堡的马克斯·普朗克物质与结构动力学研究所（MPSD）和瑞士苏黎世联邦理工学院物理系的科学家组成的研究团队，共同揭开了过渡金属中光诱导的电子局域化在阿秒级别上的动力学机理。该小组首次研究了热化【1】之前过渡金属中的多体电子动力学。相关结果已发表在《Nature Physics》上。
研究团队使用了目前最先进的阿秒瞬态吸收光谱法（ATAS）（用于检测电子运动的超快方法），来研究过渡金属钛（Ti）和锆（Zr）中电子的集体行为，发现了光吸收和电子屏蔽两者之间的相互影响。这类过渡金属是诸多具有非常规性质材料（例如高温超导体）的关键成分。该团队通过大量的含时第一性原理计算，使相关实验结果得到了合理的解释。该工作为电子耦合动力学在这些系统中所起到的作用提供了新的见解。
图1. 过渡金属中光诱导的电子局域化动力学，通过阿秒瞬态吸收光谱及第一性原理模拟而得到了研究
在金属中，一部分电子会完全脱离其所属离子的位置，进而可以在固体中自由移动，这些电子就是所谓的自由电子。金属之所以能够导电，就是因为它们的存在。但是，与这些自由电子相反，其他一些电子则具有很强的局限性，只限定在过渡金属离子附近移动。它们被限定在如此小的区域内，以至于电子与电子之间会产生强烈的耦合。这种耦合是物质中诸多有利用价值的相态产生的关键因素，例如高Tc超导性，电荷密度波以及金属-绝缘体转变（Mott相变）。
该研究中最大的挑战在于如何利用光来调控电子的位置，来实现以超快方式生成甚至控制物质中这些有利用价值的相态。唯一的限制来自于热化的时间尺度，在热化期间电子的可控性会受到其环境的干扰。通过使用ATAS，该研究团队在阿秒级的强激光脉冲下发现了过渡金属中光吸收的超快转变。他们证明了该瞬态吸收源自泵浦脉冲引起的超快d轨道电子局域化，并观察到该瞬态吸收现象对某些实验参数的变化并不十分敏感，比如样品厚度，表面氧化态以及泵浦光子能量。此外，他们基于最先进的第一性原理计算得出结论— 这种超快吸收变化源自阿秒级电子局域化对亚纳米级电子屏蔽效应的影响。
该工作揭示了对物质相态进行超快操纵的新可能性。该工作成果象征着在阿秒尺度上理解光诱导电子动力学的重大进步，同时也为开发光电器件、节能电子器件、磁存储器件、自旋电子器件和新型太阳能电池提供了必要的基础知识。
用词解释：
【1】热化（Thermalization）：在物理学中，热化是指物理实体间通过双向相互作用达到热平衡的过程。（引自：https://en.wikipedia.org/wiki/Thermalisation）
【论文信息】
题目：Attosecond screening dynamics mediated by electron localization in transition metals
杂志：Nature Physics
DOI:10.1038/s41567-019-0602-9
供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部
