磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的超快光谱研究

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拓扑绝缘体具有不同于普通材料的拓扑非平庸电子态。它由其在动量空间中的拓扑不变量进行分类,其中体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质。拓扑绝缘体的表面态具有独特的自旋结构,存在自旋-动量锁定,因此它被认为在未来的光电器件和自旋电子器件领域中有很多应用。近年来已经有许多拓扑绝缘体得到了理论预测和实验上的证实,例如Hg Te/Cd Te量子阱,三维拓扑绝缘体Bi1-xSbx、Bi2Se3以及磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4。相比传统的拓扑绝缘体,磁性拓扑绝缘体由于存在内禀的反铁磁性,因而其表面态在其拓扑性质之外会有更多的奇异物理效应,例如理论上预言的量子反常霍尔效应,手性Majorana费米子以及轴子绝缘体等。本文利用超快光学泵浦-探测实验技术,对磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4进行了研究。特别的,光激发导致材料的瞬态反射率变化反映了材料内载流子和相干声子的时间演化,从而能利用瞬态反射率的变化来分析材料的载流子和相干声子动力学。本工作的主要发现为(1)在光激发下,在MnBi2Te4中存在三种非平衡的弛豫过程,包括时间尺度为1 ps的电子-声子散射过程,时间尺度为5 ps的声子辅助电子-空穴复合过程,以及时间尺度为数纳秒的长弛豫过程,最后一个长过程仅在反铁磁相变温度下涌现。这些过程与反铁磁序密切相关。(2)在实验的探测范围内,MnBi2Te4主要有三个声子模式。其中强度最强的声子模式参与了电子-空穴复合过程,并由于其能量在反铁磁序温度附近显示出明显的反常,从而出现了违背非简谐声子模型的行为。这些发现对研究拓扑绝缘体中的反铁磁序与声子之间的耦合有重要作用。本论文着重于磁性拓扑绝缘体中电子、声子的非平衡态动力学研究,探讨了它们与反铁磁序之间的联系。这些发现可以为未来实现基于MnBi2Te4量子反常霍尔效应的电子器件提供实验基础。
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