物理学家实现了过渡金属中电子在光学振荡周期内重新分布情况的测量

 苏黎世联邦理工大学物理系的研究人员测量了所谓的过渡金属中的电子是如何在光学振荡周期的一小部分内重新分布的。他们观察到电子在不到一个飞秒的时间内集中在金属原子周围。这种重新组合可能会影响这些化合物的重要宏观性质，如导电性、磁化或光学特性。因此，这项工作提出了一种在极快的时间尺度上控制这些特性的方法。

上图中短激光脉冲（红色振荡线）与钛原子晶格（图中下半部分）的设置和相互作用的图示。红色和蓝色结构代表钛原子附近电子密度的重新分布。右下角显示了密度变化的特写。

电子在过渡金属中的分布，在化学元素周期表中占很大的一部分，是它们应用中许多有趣的特性的原因。例如，这组材料的一些成员的磁性能被开发用于数据存储，而其他成员则表现出良好的导电性。过渡金属对新材料也具有决定性的作用，因为电子之间的强相互作用会产生更奇特的行为。这类材料有望在未来广泛应用。 

在他们的实验中，Mikhail Volkov与Ursula Keller教授超快激光物理小组的同事们将过渡金属钛和锆的薄箔暴露在短激光脉冲下，他们的结果发表在今天的《自然物理学Nature Physics》杂志上。他们通过记录金属在极端紫外线（XUV）域中光学性质的变化来观察电子的再分配。为了能够在足够的时间分辨率下跟踪诱导的变化，测量中使用了持续时间仅为几百阿秒（10-18秒）的XUV脉冲。 

通过将实验结果与汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所的Angel Rubio教授所开发的理论模型进行比较，研究人员确定，在不到一个飞秒（10-15秒）的时间内发生的变化是由一个修正引起的。离子在金属原子附近的电子局部化。该理论还预测，在外电子壳层填充更强烈的过渡金属中，会出现相反的运动，也就是说，预计电子会发生离域。 

材料性能的超快控制 

电子分布定义了材料内部的微观电场，这种电场不仅将固体结合在一起，而且在很大程度上决定了其宏观性质。通过改变电子的分布，人们也可以控制材料的特性。Volkov等人的实验证明这在时间尺度上是可能的，时间尺度比可见光的振荡周期要短得多（大约两个飞秒）。更重要的是发现时间尺度比所谓的热化时间要短得多，也就是说，在这个时间内，电子会通过自身与晶体间的碰撞，冲走外部控制电子分布的影响。 

最初的惊喜 

起初，令人惊讶的是，激光脉冲将导致钛和锆中电子位置的增加。自然界的一个普遍趋势是，如果束缚电子具有更多的能量，它们将变得不那么局部化。支持实验观察的理论分析表明，电子密度的增加局部化是过渡金属原子特征部分填充d-轨道更强填充的净效应。对于已经填充了一半以上的d轨道的过渡金属（即周期表中更靠近右边的元素），净效应是相反的，对应于电子密度的离域。 

更快的电子元件 

虽然目前报告的结果具有基本性质，但实验证明了快速修改材料性能的可能性。这种调制用于电子和光电子，用于处理电子信号或传输数据。目前的组件处理频率在吉赫兹（109赫兹）范围内的信号流时，Volkov和同事的结果表明在皮赫兹（1015赫兹）频率下处理信号的可能性。因此，这些相当基本的发现可能会为下一代更快的组件的开发提供信息，并通过这些组件间接地进入我们的日常生活。 

原文来源：https://phys.org/news/2019-08-physicists-electrons-transition-metals-redistributed.html