近日，北京大學物理學院量子材料科學中心、北京量子信息科學研究院王楠林教授課題組與合作者在準二維電荷密度波體系EuTe4中利用超快激光實現了電子極化態的全光學操控，主要體現在室溫下其二次諧波信號及電阻出現可逆非易失變化，其中Te原子層的極性反轉及層間多種堆疊序或許是關鍵因素，此現象為新型超快電子設備的開發帶來了新啟示。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的非易失光學操控》(Room-temperature non-volatile optical manipulation of polar order in a charge density wave)為題，發表在國際知名學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications 15，8937，2024)中。
 

　　以可預測的方式引導量子材料朝向理想的基態、瞬態或亞穩態而獲得“按需特性”是凝聚態物理中的一個新興研究領域，其中利用超快光-物質相互作用對關聯電子態進行研究及操控是實現手段之一，這對未來超快電子/光子器件的發展具有重要意義。超快激光的時間分辨性可用于研究載流子超快動力學過程，其瞬時強場特性還可研究材料的非線性響應或誘導相變。然而，如何以完全可逆的方式誘導持久的亞穩態仍然是一個長期存在的挑戰。王楠林課題組在電荷密度波材料EuTe4中實現了室溫全光非易失操控，并誘導出熱力學手段無法實現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年發現的一種具有全新晶體結構的準二維半導體電荷密度波(CDW)材料，因同時伴隨著面內極化態的形成而稀有[1]。其晶格由近正方Te原子層和Eu-Te絕緣波紋層交替構成(圖1a)，因CDW畸變產生1a×3b×2c的超晶格(點群 C2v)。在單個Te層中，Te原子沿a軸的畸變導致化學鍵重排而形成規則的Te三聚體，最終導致沿a軸的凈極化e，并且與CDW調制波矢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的形成(圖1c)。與之前的輸運、ARPES及XRD等結果[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熱回滯現象，相關理論推測這由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的平均晶格結構。由平面Te層和波紋狀Eu-Te層交替構成。b.方形Te層的Peierls不穩定性導致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.實驗示意圖。e.初始態樣品的變溫SHG強度曲線，與插圖中電阻曲線的熱回滯行為一致
 

　　室溫下結合飛秒800nm光激發，平衡態二次諧波(SHG)和電學測量，研究團隊發現通過單個寫入脈沖，可增強或抑制納米級厚度EuTe4樣品的SHG強度及電阻，并且在弱和強激發區間(臨界通量FcR~6.8 mJ/cm2)有明顯區別。在弱激發區間(圖2)，可誘導該體系熱回滯區間內物性的非易失變化，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，而抑制處于升溫支路體系的SHG和電阻則需要較強通量的寫入脈沖(2.5mJ/cm2，圖2c、d)，此后通過熱退火方式可令體系恢復至初始態。在強激發區間(圖3)，創造了全新亞穩態并實現全光可逆操控，單個強脈沖令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)的脈沖序重新誘導出SHG信號不同于初始態的極化態，電阻恢復至初始態水平。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在弱激發區間的非易失變化。a、b. 在降溫支路時，受單個弱脈沖激發后(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2.5mJ/cm2脈沖激發后，SHG和電阻減弱。e、f. SHG和電阻的脈沖-脈沖激發的通量變化。灰和紅線分別表示升溫及降溫支路初始態
 

　　光誘導的SHG強度變化反映了材料極化強度的變化。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，可能導致多種結構對稱性和極化相。例如，根據同一組單晶XRD測量數據擬合，除了極化相外，具有反演對稱性的反極化相也是合理的。因此研究團隊提出EuTe4體系中具有多個波谷(亞穩態)的非諧自由能分布，不同極化態之間的切換反映了類似兩能級系統行為：高強度脈沖傾向于激發更多的平均電極化較弱的狀態，而低強度激發通過克服淺勢壘使激發態返回到具有更強電極化的極化態。此外，對于強激發區間的誘導的全新物相，應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所提出的特定層極化反轉機理及晶格畸變過程，需要進一步研究。
 

　　圖3. 室溫下EuTe4在強激發區間誘導的新物相及非易失可逆變化。a. 寫入脈沖的強度及個數示意圖。b、c. SHG 和電阻的全光可逆切換
 

　　該工作中，北京大學物理學院量子材料科學中心博雅博士后劉巧梅和北京量子信息科學研究院吳東為共同第一作者，吳東和王楠林為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和美國能源部基礎能源科學基金的支持。