光诱导铁电相的驱动力和形成机制丨进展

探索和调控量子材料的一个有效途径是超快光与物质的相互作用，通过诱发可能的长寿命非平衡态，实现量子材料在热平衡中无法实现的功能相关的性质。在凝聚态物质超快非热光调控领域，利用激光在超快时间尺度上对材料铁电性进行调制吸引了越来越多的关注。铁电性源于空间反转对称性的破缺，是具有自发极化的材料的重要功能，其极化方向可以通过外部电场调控。实验发现，顺电性的SrTiO₃材料可以通过中红外频率和太赫兹区域的激光激发被非热驱动进入亚稳铁电相，但光致相变的动力学过程和基本机制仍不明确。SrTiO₃是一种具有强非谐性晶格动力学的中心对称材料，这是由反铁畸变和铁电不稳定性的竞争引起的，而且其电子自由度和晶格自由度之间存在复杂的相互作用，这都使得探索其光诱导铁电相变的微观机制变得十分具有挑战性。

图1. J. Phys. Chem. Lett.封面展示了钛酸锶中光致铁电性的结构和势能面变化示意图。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF10课题组博士生宋晨晨等人在张萃副研究员、孟胜研究员的联合指导下，在J. Phys. Chem. Lett.上以封面论文的形式发表了关于超快激光驱动顺电材料SrTiO₃中隐藏铁电相的非绝热动力学机制的最新研究成果。研究采用基于实时含时密度泛函理论的非绝热量子动态模拟，揭示了SrTiO₃中超快光诱导的顺电到铁电相变的驱动力和形成机制，极大推动了我们对光激发电荷转移如何通过电子-声子耦合的相互作用驱动离子运动的理解。

图2. 超快激光诱导SrTiO₃晶格中的单轴拉伸和铁电相变过程。

非绝热动力学模拟研究表明，SrTiO₃中的顺电到铁电转变源于光激发电子通过电子激发和晶格畸变之间的强关联而诱导空间反转对称性的破缺。飞秒激光脉冲沿光偏振方向显著改变了顶部氧离子和钛离子之间的电荷密度，从而诱发了瞬时单轴拉伸形变。电子与声子的相互作用导致了多个声子分支的选择性激发，特别是两个高能量的纵向光学模式，这促使钛离子远离氧八面体的中心，进入有利于铁电相的超快时间尺度的新位置。我们还发现，在早期激发阶段，钛离子上的电荷载流子激发是由3²轨道主导的，而在铁电阶段，电荷转移主要与3²-²轨道耦合，两者都伴随着3和3轨道上电荷量的逐渐积累，表明轨道间混合的发生。这种直接的电子激发与诱导的声子激发的合作机制，与文献中假设的声子坐标和晶体应力之间的非线性耦合机制有重要区别。前者是电子驱动的，因此对光激发响应迅速，而后者是由声子介导的，速度慢得多。此项研究结果为精确操纵激光诱导的铁电相转变提供了新的见解，并为复杂材料中电子和结构量子态的光学控制提出了新方案。

图3. 光激发的多光子吸收过程及光诱导单轴拉伸变形的轨道性质。

图4. 电子-声子耦合相互作用导致的声子选择性激发。

相关成果以“Electronic Origin of Laser-Induced Ferroelectricity in SrTiO₃”为题发表在J. Phys. Chem. Lett.上，SF10组博士研究生宋晨晨和博士后杨庆为共同第一作者，张萃副研究员和孟胜研究员为通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。

论文信息：Chenchen Song, Qing Yang, Xinbao Liu, Hui Zhao, Cui Zhang, and Sheng Meng. Electronic Origin of Laser-Induced Ferroelectricity in SrTiO₃. J. Phys. Chem. Lett. 14, 2, 576–583 (2023)

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