飞秒级延迟，挑战固体物理学中的传统假设

20世纪物理学最重要的成就之一，是建立了固体的量子力学理论。这使科学家得以理解某些材料如何以及为何导电，并理解如何有目的地改变这些性质。例如，像硅这样的半导体可用于制造晶体管，从而彻底革新了电子技术，并使现代计算机成为可能。

为了在数学上描述固体中电子与原子核及其运动之间复杂的相互作用，物理学家不得不作出一些简化。例如，他们假设原子中质量较轻的电子会毫无延迟地跟随晶体晶格中更重的原子核运动。在几十年的时间里，这一被称为玻恩–奥本海默近似的假设一直运作良好。

然而，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一组研究人员通过对一种由钛、碳和氧原子层构成的特殊二维材料进行阿秒光谱学研究，得出了与既有假设有所不同的结论：在某些固体材料中，电子会以一定的延迟跟随晶格中原子核的运动。

MXene中的意外发现

在新的研究中，研究人员所关注的是一种类似于石墨烯的二维材料，名为MXene。在实验中，他们所使用的MXene材料由若干层构成，其中钛、碳和氧原子相互成键，形成晶格。正是在研究这种材料内部的晶格振动——声子时，他们发现了电子运动中出乎意料的延迟。

为了研究晶格振动，研究人员采用了阿秒光谱学——它有着极其高的时间分辨率，可达“十亿分之一的十亿分之一秒”（10⁻¹⁸秒）的量级。

他们先是用一束短的红外激光脉冲激发MXene中的晶格振动，随后再用一束极紫外阿秒激光脉冲照射材料，并测量有多少激光穿过了材料。根据脉冲的波长，材料中的电子可以被激发去吸收紫外光子，从而跃迁到更高的能级。

最后，研究人员在不先激发晶格振动的情况下重复了这一实验。他们随后通过比较两组结果的差异，便能推断出电子与原子核的运动情况。

电子滞后的精确测量

在具体的实验过程中，研究人员通过将两束激光脉冲之间的时间间隔从几飞秒（10⁻¹⁵秒），得以非常精确地确定：电子对晶格振动的突然激发作出反应时，存在延迟——电子相对于原子核最多可滞后三十飞秒——在阿秒级的世界里，这已经是非常长的时间。而在标准的玻恩-奥本海默近似中，这样的延迟是不应该出现的。

最后，研究人员将实验数据与数学模型预测的结果进行了对比。通过这种比较，他们推断出，原子核的振动会影响电子的空间分布，而这种变化又会改变晶格中原子附近的电磁场。此外，电子之间的相互作用也发挥了重要作用。

但不仅如此，从数据中，研究人员甚至能够看到MXene中不同原子附近的电子具有怎样的行为。在单原子层面观察电子与声子之间的动力学，甚至还能区分它们所处的状态、化学键以及能量，这在过去是不可能做到的。

意义与应用前景

研究人员希望，对电子与晶格振动相互作用的新认识，将促使物理学家建立超越传统近似、更加精确的数学模型。他们的实验方法使得测量电子与晶格振动之间的耦合强度成为可能。基于这一测量结果，他们得以预测在什么条件下，某些电子对热传导的贡献会更强或更弱。

而对能量与电荷传输更深入的理解，将使研究人员能够更好地控制材料，从而为纳米尺度的光电器件开辟新的可能性。与此同时，在原子层面获得的关于热传导的微观洞见，也为开发更小、更高效的电子元件提供了起点。

#参考来源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/01/electrons-lag-behind-the-nucleus.html

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea1523

#图片来源：

封面图&首图：Sergej Neb / ETH Zurich