二维材料，电子存在响应延迟

20世纪物理学的一项重大成就是用量子力学对固体进行了描述。这使科学家首次得以理解某些材料传导电流的方式与原理，以及如何有目的地改变这些特性。例如，硅这类半导体可被用于制造晶体管，而晶体管彻底改变了电子学，也使现代计算机的诞生成为可能。

为了从数学层面捕捉固体中电子与原子核之间复杂的相互作用及其运动规律，物理学家不得不做出一些简化假设。比如，假定晶体晶格中原子内质量较轻的电子，会毫无延迟地跟随质量大得多的原子核运动。数十年来，玻恩 - 奥本海默近似都十分有效。

然而如今，苏黎世联邦理工学院与马克斯・普朗克物质结构与动力学研究所的研究人员发现，特定材料中的电子会存在响应延迟。此外，这种延迟的长短，取决于电子的局域位置以及它们所处的能级。

苏黎世联邦理工学院物理系的乌苏拉・凯勒与卢卡斯・加尔曼团队，借助阿秒级分辨率的实验与理论计算证实，在一类名为 MXenes 的层状平面材料中，电子对原子核运动的响应存在显著延迟。研究人员已将相关成果发表在《科学》期刊上。这些成果有望为未来新型光电子器件的研发提供助力。

类石墨烯材料中的有趣效应

阿秒光谱技术能让科学家以难以想象的时间分辨率，即10的负18次方秒来研究物理事件。过去 30 年间，苏黎世联邦理工学院的研究人员在该领域开展了开创性的工作。

该论文的第一作者Sergej Neb表示，“声子，也就是晶格振动，并非我们的主要研究对象，因为它的运动相对缓慢。” 但在对 MXenes 材料中的声子进行研究时，他与同事们意外发现了电子运动的延迟现象。

MXenes 是一类与石墨烯相似的二维材料。苏黎世联邦理工学院研究团队所选用的 MXenes 样品，由多层通过化学键连接的钛、碳、氧原子晶格构成。

那么，如何对这类材料内部的晶格振动展开研究呢？物理学家们首先利用一道短红外激光脉冲激发 MXenes 材料中的晶格振动，随后再用一道极紫外阿秒激光脉冲照射该材料，并测量激光的透射量。依据激光脉冲波长的不同，材料中的电子会被激发，从而吸收紫外光子，跃迁至更高的能级。

最后，研究人员在不预先激发晶格振动的情况下重复了该实验。通过对比两次实验的结果差异，他们便能够推断出电子与原子核的运动状态。

电子响应存在滞后

研究人员通过将两道激光脉冲的时间间隔，从飞秒级调整至皮秒，极为精确地测定了电子对晶格振动瞬时激发的响应延迟时长。

Sergej Neb表示，“若按照标准的玻恩 - 奥本海默近似，我们完全不会预料到任何延迟的存在。但我们观察到，电子的响应会滞后原子核多达 30 飞秒，在阿秒的时间尺度下，这堪称一段相当漫长的时间。”

最终，苏黎世联邦理工学院的研究团队将实验数据，与数学模型计算结果进行了比对。通过这一比对，他们得出结论：原子核的振动会影响电子的空间分布，进而改变晶格中原子附近的电磁场。同时，电子之间的相互作用也发挥了重要作用。

不仅如此，研究人员还能从实验数据中观察到 MXenes 材料内不同原子周围电子的运动行为差异。Sergej Neb表示，“在此之前，我们无法以如此精细的尺度观察电子与声子之间的动力学过程，甚至能分辨电子的状态、化学键与能级。而阿秒技术正是实现这种高分辨率观测的关键。”

研究人员希望，他们针对电子与晶格振动相互作用的全新发现，能够推动超越传统近似法的高精度数学模型的构建。Sergej Neb认为，“我们的方法能够测量电子与晶格振动之间的耦合强度，进而预测在何种条件下，特定电子对热传导的贡献会相应增强或减弱。”

对能量与电荷输运过程的深入理解，有助于增强人类对材料的调控能力，从而为纳米级光电子器件的研发开辟新的可能性。与此同时，这种在原子层面揭示热传导机制的微观视角，也为研发尺寸更小、能效更高的电子元器件奠定了基础。