光掺杂电荷转移绝缘体中电子关联效应的动态调控及其在光电应用中的潜力

研究人员通过调控光学脉冲激发强度，在典型电荷转移绝缘体NiO中实现了电子关联强度的相干减弱，发现这种关联减弱可持续数百皮秒且恢复时间与光掺杂密度无关。该研究揭示了光掺杂对电荷转移间隙的动态调控机制，为强关联系统的全光学控制和Mott相变提供了新途径。

　　

过渡金属氧化物因其丰富的电子、磁性和结构性质而备受关注，其中强电子关联效应主导的绝缘相机制是凝聚态物理的核心问题。作为典型电荷转移(CT)绝缘体，镍氧化物(NiO)的带隙由配体p带与上哈伯德带(UHB)之间的电荷转移能隙(Δ_CT)决定，而哈伯德U（Hubbard U）则表征了强关联作用下下哈伯德带(LHB)与UHB之间的能量差。尽管光掺杂已被证明能通过动态筛选减弱库仑排斥作用，但如何精确调控关联强度并阐明其动力学过程仍是未解难题。

为解决这一问题，研究团队创新性地采用紫外宽带泵浦-探测技术，在NiO薄膜中实现了电子关联强度的线性调控。通过结合瞬态光谱、光谱椭偏仪和第一性原理计算，揭示了光掺杂诱导的Δ_CT重整化机制及其非平衡态动力学特征。该成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为强关联材料的非易失性光电调控提供了理论基础。

关键技术包括：1）紫外宽带泵浦-探测系统（时间分辨率~150 fs）；2）基于Tauc-Lorentz振荡器的介电函数建模；3）实时含时密度泛函理论(TDDFT+U)和约束DFT计算；4）NiO(001)薄膜的脉冲激光沉积制备。

主要研究结果

长寿命CT间隙动力学

实验发现光激发后NiO的瞬态传输信号呈现双极波形，正负信号分别对应Δ_CT两侧的能量区域。该信号持续纳秒量级，与铜酸盐中皮秒量级的晶格加热信号形成鲜明对比。通过靶分析确认，非热电子效应主导前10 ps动力学，而晶格加热在>200 ps时才成为主要因素。

瞬态光谱响应的线性特性

在1.0×10¹⁸-1.5×10²⁰ cm^-3的光掺杂密度范围内，NiO的瞬态透射/反射变化均呈现严格线性。这种跨越两个数量级的线性响应在强关联材料中极为罕见，为光学开关设计提供了理想平台。

电子关联的动力学调控

通过介电函数模型拟合发现：Δ_CT随光掺杂密度线性减小（ΔU~100 meV/0.011 eh/uc），而线宽Γ线性增加。TDDFT+U计算证实，这种变化主要源于局域Hubbard U的重整化，动态筛选贡献了约40%的带隙变化。

讨论与意义

该研究首次实现了对NiO电子关联强度的光学相干控制，其长达数百皮秒的亚稳态为光电应用提供了时间窗口。与铜酸盐相比，NiO中更显著的极化子形成可能延长了非热载流子寿命。未来研究可结合低温磁有序调控，进一步探索自旋-晶格耦合对关联强度的影响。这项工作不仅深化了对CT绝缘体非平衡动力学的理解，更为开发基于关联效应的超快光电器件奠定了科学基础。