近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院王楠林教授課題組與合作者在準(zhǔn)二維電荷密度波體系EuTe4中利用超快激光實(shí)現(xiàn)了電子極化態(tài)的全光學(xué)操控，主要體現(xiàn)在室溫下其二次諧波信號及電阻出現(xiàn)可逆非易失變化，其中Te原子層的極性反轉(zhuǎn)及層間多種堆疊序或許是關(guān)鍵因素，此現(xiàn)象為新型超快電子設(shè)備的開發(fā)帶來了新啟示。2024年10月17日，該成果以《室溫下對電荷密度波體系中極化態(tài)的非易失光學(xué)操控》（Room-temperature non-volatile optical manipulation of polar order in a charge density wave）為題，發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications 15，8937，2024）中。

以可預(yù)測的方式引導(dǎo)量子材料朝向理想的基態(tài)、瞬態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)而獲得“按需特性”是凝聚態(tài)物理中的一個新興研究領(lǐng)域，其中利用超快光-物質(zhì)相互作用對關(guān)聯(lián)電子態(tài)進(jìn)行研究及操控是實(shí)現(xiàn)手段之一，這對未來超快電子/光子器件的發(fā)展具有重要意義。超快激光的時間分辨性可用于研究載流子超快動力學(xué)過程，其瞬時強(qiáng)場特性還可研究材料的非線性響應(yīng)或誘導(dǎo)相變。然而，如何以完全可逆的方式誘導(dǎo)持久的亞穩(wěn)態(tài)仍然是一個長期存在的挑戰(zhàn)。王楠林課題組在電荷密度波材料EuTe4中實(shí)現(xiàn)了室溫全光非易失操控，并誘導(dǎo)出熱力學(xué)手段無法實(shí)現(xiàn)的可持久存在的新物相。

EuTe4是王楠林研究組中吳東副研究員等在2019年發(fā)現(xiàn)的一種具有全新晶體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)二維半導(dǎo)體電荷密度波（CDW）材料，因同時伴隨著面內(nèi)極化態(tài)的形成而稀有[1]。其晶格由近正方Te原子層和Eu-Te絕緣波紋層交替構(gòu)成（圖1a），因CDW畸變產(chǎn)生1a×3b×2c的超晶格（點(diǎn)群 C2v）。在單個Te層中，Te原子沿a軸的畸變導(dǎo)致化學(xué)鍵重排而形成規(guī)則的Te三聚體，最終導(dǎo)致沿a軸的凈極化e，并且與CDW調(diào)制波矢q垂直（沿b軸，圖1b）。相鄰Te層中三聚體的平行同相堆疊將破缺中心反演對稱性并引起極化態(tài)的形成（圖1c）。與之前的輸運(yùn)、ARPES及XRD等結(jié)果[1—3]一致，變溫二次諧波（SHG）測量顯示該體系具有巨大的非常規(guī)熱回滯現(xiàn)象，相關(guān)理論推測這由Te層之間的CDW相對相位變化（同相或反相）引起（圖1e）[2]。

圖1. a. EuTe4的平均晶格結(jié)構(gòu)。由平面Te層和波紋狀Eu-Te層交替構(gòu)成。b.方形Te層的Peierls不穩(wěn)定性導(dǎo)致Te三聚體的形成。CDW波矢q沿b軸，與極化矢量e垂直。c.極化序的堆疊順序示意圖，其中相鄰Te層中的三聚體平行同相排列。d.實(shí)驗(yàn)示意圖。e.初始態(tài)樣品的變溫SHG強(qiáng)度曲線，與插圖中電阻曲線的熱回滯行為一致

室溫下結(jié)合飛秒800nm光激發(fā)，平衡態(tài)二次諧波（SHG）和電學(xué)測量，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過單個寫入脈沖，可增強(qiáng)或抑制納米級厚度EuTe4樣品的SHG強(qiáng)度及電阻，并且在弱和強(qiáng)激發(fā)區(qū)間（臨界通量FcR~6.8 mJ/cm2）有明顯區(qū)別。在弱激發(fā)區(qū)間（圖2），可誘導(dǎo)該體系熱回滯區(qū)間內(nèi)物性的非易失變化，較弱脈沖令處于降溫支路體系的SHG和電阻（1.5mJ/cm2，圖2a、b）同步增強(qiáng)，而抑制處于升溫支路體系的SHG和電阻則需要較強(qiáng)通量的寫入脈沖（2.5mJ/cm2，圖2c、d），此后通過熱退火方式可令體系恢復(fù)至初始態(tài)。在強(qiáng)激發(fā)區(qū)間（圖3），創(chuàng)造了全新亞穩(wěn)態(tài)并實(shí)現(xiàn)全光可逆操控，單個強(qiáng)脈沖令SHG 信號消失但電阻增加三個量級；隨后上千個中等通量（4—5mJ/cm2）的脈沖序重新誘導(dǎo)出SHG信號不同于初始態(tài)的極化態(tài)，電阻恢復(fù)至初始態(tài)水平。擬合得知此時的二階非線性極化張量元aaa顯著增加。

圖2. 室溫下EuTe4在弱激發(fā)區(qū)間的非易失變化。a、b. 在降溫支路時，受單個弱脈沖激發(fā)后（1.5mJ/cm2），SHG和電阻同步增加。c、d. 而在升溫支路的樣品在較強(qiáng)2.5mJ/cm2脈沖激發(fā)后，SHG和電阻減弱。e、f. SHG和電阻的脈沖-脈沖激發(fā)的通量變化?；液图t線分別表示升溫及降溫支路初始態(tài)

光誘導(dǎo)的SHG強(qiáng)度變化反映了材料極化強(qiáng)度的變化。考慮到EuTe?體系CDW超晶格中沿c軸交替堆疊著六個不等價(jià)的Te層，每個Te層的電極化沿a軸方向，原則上可以是正極化或負(fù)極化，這取決于CDW畸變的方向。因此，EuTe?的整體極性由這些Te層的相對堆疊相位決定，可能導(dǎo)致多種結(jié)構(gòu)對稱性和極化相。例如，根據(jù)同一組單晶XRD測量數(shù)據(jù)擬合，除了極化相外，具有反演對稱性的反極化相也是合理的。因此研究團(tuán)隊(duì)提出EuTe4體系中具有多個波谷（亞穩(wěn)態(tài)）的非諧自由能分布，不同極化態(tài)之間的切換反映了類似兩能級系統(tǒng)行為：高強(qiáng)度脈沖傾向于激發(fā)更多的平均電極化較弱的狀態(tài)，而低強(qiáng)度激發(fā)通過克服淺勢壘使激發(fā)態(tài)返回到具有更強(qiáng)電極化的極化態(tài)。此外，對于強(qiáng)激發(fā)區(qū)間的誘導(dǎo)的全新物相，應(yīng)涉及到額外的晶格畸變。如何通過XRD或電鏡等更直接的測量手段來證實(shí)所提出的特定層極化反轉(zhuǎn)機(jī)理及晶格畸變過程，需要進(jìn)一步研究。

圖3. 室溫下EuTe4在強(qiáng)激發(fā)區(qū)間誘導(dǎo)的新物相及非易失可逆變化。a. 寫入脈沖的強(qiáng)度及個數(shù)示意圖。b、c. SHG 和電阻的全光可逆切換