科学通报|超快凝聚态物理中激发态电子分类及其非平衡态

凝聚态物理近年来一个发展较快的方向是超快物理现象和超快动力学研究，“超快凝聚态物理”研究量子材料的激发态和非平衡态超快动力学以获得各种量子物态的本征属性，并加以调控。其一般采用超快激光脉冲做激发源，以超高时间分辨为典型实验特征，探测出射的光子或电子。随着该领域的发展，产生了许多不同于传统基态电子的物理概念。准确理解、定义、分类这些概念对于顺利开展超快凝聚态物理研究显得日益重要。

中国科学院物理研究所赵继民研究员及其合作者以准粒子超快弛豫过程为例，介绍了光生载流子、激光加热的电子、热电子、温电子、光电子等概念的定义和分类，同时也介绍了相关的基态、激发态、非平衡态、亚稳态、量子隐态、稳态和平衡态等物理概念。通过以水的不同自然形态作类比，他们形象地展示了上述概念的异同，帮助读者正确掌握和使用它们，避免混淆。

图1为准粒子超快弛豫过程的示意图，右侧为类比大海与天空中自然水的循环过程。超快激光脉冲泵浦凝聚态物质，基态电子吸收光子跃迁至激发态形成光生载流子，类比于水蒸发为气态进入云朵。光生载流子弛豫回基态，一般通过电子-声子相互作用，将能量传递给声子等元激发，才能使平均能量降低。弛豫至费米面附近时，先与局域晶格达到热平衡，即激光加热的电子；进一步与较大范围晶格形成热平衡，为热电子，类比于水面浪花；至更大范围（类比于水面和深处的水）达到环境温度，为温电子，类比于水面波纹。光子能量足够大时，电子克服逸出功激发到固体之外，称为光电子，类比于水汽脱离地球。如果弛豫过程在动量空间进入到更复杂的通道，有可能经历亚稳态（红线）、量子隐态（蓝线）等。

图1 准粒子超快弛豫过程的示意图

图2为光生载流子弛豫至费米面附近时各类电子态的示意图，主要展示时间与空间上的演化。非平衡态光生载流子最先与激光光斑附近晶格发生能量交换，二者热平衡后形成激光加热的电子。激光加热的电子与空间上离光斑更远的晶格进行能量交换，在更大范围内达成热平衡，温度降低，形成热电子。热电子继续与更大范围晶格交换能量，逐渐弛豫至环境温度，形成温电子，类比于雨滴落至水面泛起波纹的过程。

图2 光生载流子变为费米面附近各类电子态的示意图

郝文杰, 翟燕妮, 代卓君, 张红*, 赵继民*. 超快凝聚态物理中激发态电子分类及其非平衡态. 科学通报, 2024, 69(21): 3177–3184,

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0245

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