近日，南方科技大學(xué)雙聘講席教授項(xiàng)曉東（材料科學(xué)與工程系和物理系）課題組與上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等合作，在量子弛豫時(shí)間的測(cè)量方法上取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》 （National Science Review,NSR）。

導(dǎo)電電子的量子弛豫時(shí)間（τ）是凝聚態(tài)物理中的一個(gè)基本參數(shù)，決定著金屬導(dǎo)電率和半導(dǎo)體遷移率，超導(dǎo)體的贗能隙和臨界溫度，以及量子計(jì)算關(guān)鍵材料中的電子傳播距離。準(zhǔn)確測(cè)量τ，并理解各種相互作用對(duì)τ的影響，可以幫助我們更好地理解凝聚態(tài)物理中的許多前沿問(wèn)題，如強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用、弱局域化效應(yīng)，拓?fù)洳牧虾妥孕孔硬牧?，以及設(shè)計(jì)和制備下一代電子學(xué)器件等。

然而，量子弛豫時(shí)間τ的直接測(cè)量一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)上，要獲得τ值，只能利用電接觸法確定載流子遷移率（μ），再利用極低溫磁振蕩實(shí)驗(yàn)獲得有效質(zhì)量（m*），進(jìn)而通過(guò)公式τ=μm* / e間接確定靜態(tài)場(chǎng)下的τ。

100多年前，Drude提出了自由電子與光場(chǎng)耦合振蕩模型（Drude model），為使用光學(xué)方法直接測(cè)量τ值提供了理論基礎(chǔ)。然而長(zhǎng)期以來(lái)，該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在量級(jí)偏差，無(wú)法直接用來(lái)確定材料的量子弛豫時(shí)間。

傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理一般認(rèn)為，τ值由電子-電子、電子-聲子、電子-雜質(zhì)三種散射機(jī)制共同決定。在這項(xiàng)工作中，南方科技大學(xué)項(xiàng)曉東研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)原始創(chuàng)新的理論模型和方法，發(fā)現(xiàn)了一種全新的電子散射機(jī)制-束縛電子的非彈性散射，并成功地從等離子體共振峰寬度中提取出傳導(dǎo)電子的量子弛豫時(shí)間（τ）等輸運(yùn)參數(shù)，解決了Drude模型無(wú)法確定量子弛豫時(shí)間的百年難題。由此出發(fā)，研究者使用光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)τ的直接測(cè)量。

20世紀(jì)90年代，項(xiàng)曉東博士發(fā)明材料芯片技術(shù)（X.-D. Xiang,et al.,Science,268, 1738:1995），開啟了以高通量制備、表征和計(jì)算為基礎(chǔ)的材料基因工程研究。目前，高通量制備技術(shù)已日臻成熟，但仍然缺少無(wú)損、原位、微區(qū)的高通量電-熱-磁-力多參量光學(xué)表征技術(shù)，導(dǎo)致材料大數(shù)據(jù)仍然匱乏。這項(xiàng)研究工作不僅突破了基于遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)的高通量電學(xué)表征瓶頸，也為材料的熱、電、磁、力多參數(shù)快速表征奠定了基礎(chǔ)，將進(jìn)一步推動(dòng)材料科學(xué)邁入以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的科學(xué)第四范式。

南方科技大學(xué)材料系張鵬博士、唐浩奇博士、顧川川博士為論文的并列第一作者，項(xiàng)曉東教授和上海交通大學(xué)汪洪教授為共同通訊作者。論文作者還包括南方科技大學(xué)材料系羅光富助理教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸亞林教授。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、南方科技大學(xué)高水平專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持，計(jì)算資源得到了南方科技大學(xué)計(jì)算科學(xué)與工程中心的支持。

責(zé)任編輯：lq