量子弛豫時間的直接測量方法

近日，南方科技大學雙聘講席教授項曉東（材料科學與工程系和物理系）課題組與上海交通大學、中國科學技術大學等合作，在量子弛豫時間的測量方法上取得重要進展，相關成果發(fā)表于《國家科學評論》 （National Science Review,NSR）。

導電電子的量子弛豫時間（τ）是凝聚態(tài)物理中的一個基本參數(shù)，決定著金屬導電率和半導體遷移率，超導體的贗能隙和臨界溫度，以及量子計算關鍵材料中的電子傳播距離。準確測量τ，并理解各種相互作用對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題，如強關聯(lián)相互作用、弱局域化效應，拓撲材料和自旋量子材料，以及設計和制備下一代電子學器件等。

然而，量子弛豫時間τ的直接測量一直無法實現(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驗獲得有效質量（m*），進而通過公式τ=μm* / e間接確定靜態(tài)場下的τ。

100多年前，Drude提出了自由電子與光場耦合振蕩模型（Drude model），為使用光學方法直接測量τ值提供了理論基礎。然而長期以來，該模型與實驗數(shù)據(jù)存在量級偏差，無法直接用來確定材料的量子弛豫時間。

傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理一般認為，τ值由電子-電子、電子-聲子、電子-雜質三種散射機制共同決定。在這項工作中，南方科技大學項曉東研究團隊，通過原始創(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電子的量子弛豫時間（τ）等輸運參數(shù)，解決了Drude模型無法確定量子弛豫時間的百年難題。由此出發(fā)，研究者使用光學遠場探針，實現(xiàn)了對τ的直接測量。

20世紀90年代，項曉東博士發(fā)明材料芯片技術（X.-D. Xiang,et al.,Science,268, 1738:1995），開啟了以高通量制備、表征和計算為基礎的材料基因工程研究。目前，高通量制備技術已日臻成熟，但仍然缺少無損、原位、微區(qū)的高通量電-熱-磁-力多參量光學表征技術，導致材料大數(shù)據(jù)仍然匱乏。這項研究工作不僅突破了基于遠場光學的高通量電學表征瓶頸，也為材料的熱、電、磁、力多參數(shù)快速表征奠定了基礎，將進一步推動材料科學邁入以大數(shù)據(jù)為基礎的科學第四范式。

南方科技大學材料系張鵬博士、唐浩奇博士、顧川川博士為論文的并列第一作者，項曉東教授和上海交通大學汪洪教授為共同通訊作者。論文作者還包括南方科技大學材料系羅光富助理教授，中國科學技術大學陸亞林教授。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、南方科技大學高水平專項等項目的支持，計算資源得到了南方科技大學計算科學與工程中心的支持。

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