量子材料亦隐形
这篇论文，从接受 (accepted) 到 online，时间间隔打破了《npj QM》这个间隔最短的记录，虽然此记录跟这篇文章追逐的那个“短”还有巨大差距。不过，这也体现了《npj QM》正在努力向包括本论文作者在内的量子材料人不断学习。学不学是态度问题；学得是不是到位，那是水平问题。当然，水平也很重要！果不其然，Ising 为这篇文章写几句评点的步履，又落在了论文主要作者依托单位 (上海科技大学) 的后面。上科大在 2022-05-06 这一天，刊出了《超快电子捕捉瞬态晶格涟漪》一文 (点击阅读)，对论文的意义和创新进行了解读。
这一解读，刚好给了我学习观摩的机会，却也迫使我从一个跟作者不一样的角度去写点心得体会。写作的难度增加了很多，怎么办呢？！
图 1. Simulations of a nucleus in which they tweaked the interaction between nucleons (protons and neutrons). https://physics.aps.org/articles/v9/106
Ising 提出问题的出发点，是一个长久以来萦绕于心的迷惑：凝聚态中，量子物理过程到底有多快意、或者说有多短暂？
这其实是一个不那么清晰的问题。我们说，光子进入固体、激发载流子，这个激发过程是多长？电子作为波的动力学过程，在这里有多快？我们的感觉是，这个答案是由激发某个探测过程本身所需时间来定义的。我的一个学生黄珏悄悄地指点我，他说这一时间尺度应该与量子力学的测不准原理有关：能量尺度与时间尺度的乘积，大致与普朗克常数相当 [ℏ ~ 6 × 10-34 J s]。当我们能够探测的最短时间是微秒、纳秒、皮秒到飞秒、再到现在接近阿秒时，我们所探测的过程，应该长于这个时间尺度！图 1 所示为核物理中的一个例子，展示质子和中子于原子核中的一些短暂“states”的模样。
如果不去讨论相对论或更哲学的思辨，当前量子过程能够想象的最短过程就是阿秒 (10-18 s)。
怎么去更科普地理解、估计一个物理过程的特征时间？答案或者做法可能有很多。Ising 所知不多，干脆破罐子破摔，尝试从大学物理角度去理解这个过程。一个物理过程，姑且用波的动力学 (弛豫) 来表达。如果弛豫始末能量差为 ΔE，可以估算波的频率为 f ~ f0 exp( - ΔE / kT)。因此，那些能量差别很大的进程，频率就很高、用时就很短，反之亦然。回头再用测不准原理来看，这个进程的用时就是 Δt ~ 10-34 J s / ΔE。
像光子激发和强声子过程，能量大概是 eV 量级。可以预期，时间会短到 10 ~ 100 阿秒、甚至更短。如果这个激发过程还有一些中间态 (暂态、hidden state)，则这个暂态的特征时间还会更短、甚至短到阿秒量级。
有了这些铺垫，现在可以开始话题的核心了。量子凝聚态物理，现在越来越重视那些超快、超短过程。原因很简单：我们关注的电磁转换、信息转换和能量转换过程，需要提高效率、降低损耗、拓展功能，因此就需要更高、更快、更强。做到这些，既需要遵从当前的研究范式，就像常规凝聚态物理研究大纲那样，也需要推陈出新。我们要去追究那些超快、超短过程，以到达目的。
图 2. Detecting hidden order in quantum materials (using x-ray synchrotron sources, combined with technological advances in fast area detectors and computational analysis).
取自 https://research.cornell.edu/research/detecting-hidden-order-quantum-materials
这，也许是一条新的道路。因此，有那么一批物理人，醉心于去发展各种激发、表征与利用超快、超短过程的技术，以实现对那些物理过程的认识。其中，针对量子材料的努力占据了很大一部分。Ising 猜测，这一现状的形成可能存在如下动机：
(1) 目前的探测技术，从时间 / 频率参数去看，还没有阿秒甚至更短的激发源。而能跟得上这些短快过程的各种探测用长枪短炮，就跑得更慢和耗时更长一些。因此，从可靠和充分角度看，我们还只能追踪那些纳秒、皮秒的物理过程。
(2) 量子材料，绝大多数都关注其中电子的各个自由度与晶格各个自由度之间的耦合与竞争，其典型能量尺度是 10 meV ~ 100 meV 量级。估算一下就能知道，绝大部分过程的时间尺度，很可能正在飞秒和亚皮秒这个区间。
(3) 量子材料所涉及的物理过程，似乎真的是百媚丛生、风采绰约。有很多过程，蕴含着好的机制、效应和性能提升空间，真的是那些追逐超快、超短过程探测的物理人之 favors。由此，也难怪量子材料人一路攻城略地。
不过，量子材料的这些过程真的是这般快慢吗？或者说，这些进程的时间尺度真的是在这个区间？我们还不知道。
稍有不足、或者客观事实是，基于传统凝聚态物理和热力学的知识范式，过往的研究，多是对量子材料基态、平衡态和低能激发态的追求。对那些超快、超短、但非基态或者非平衡的过程，我们的认识不足或基本没有认识。鉴于上述第 (2) 点，深入开展超快超短尺度的探索，以明晰深化这种认识，是必然的历程。现在有一个名称来专门描述这方面的物理：physics of hidden phase，中文姑且叫“暂态过程物理”？或者文艺一点叫“无影物理”。我们应该向那些致力于探索“无影无踪”的量子材料人致敬！
图 3. 翟老师她们的创意。
来自中国科技大学和上海科技大学的翟晓芳老师所领导的团队，就是一支醉心于此的队伍。最近，她们联合上海交大、美国布鲁克海文国家实验室 (其中有名家朱溢眉老师) 和加州州立大学 Northridge 分校的合作者，利用超短脉冲激光激发，配合 MeV 超快电子衍射技术 (时间尺度在亚皮秒和飞秒)，对典型量子关联钙钛矿锰氧化物 LaMnO3 的非平衡晶格动力学，开展了表征探索，取得了一些进展。
众所周知，LaMnO3 是一个 A – AFM 反铁磁钙钛矿氧化物，Jahn – Teller 晶格畸变动力学和共价键特征显著。因为庞磁电阻效应，物理人曾经高度关注过这个母体化合物。更因为关联和多重自由度耦合竞争于其中，LaMnO3 也许还是一个靠近 A – AFM 莫特绝缘体向铁磁 FM 金属态转变的体系 (实际上，距离这个转变可能也不是那么近)。但，无论如何，这一“靠近”给了我们梦里想象的空间：这个体系的超快暂态过程，是不是存在铁磁 FM 态？是不是有金属 - 绝缘体转变 MIT 的过程？这样的探索，过往还未能充分展开过，其中的好问题包括：特征时间多少？晶格畸变和对称性如何？有没有 MIT 和 AFM – FM 的踪影？
这样的物理问题，总是能够将物理人弄得心神不宁而抚今惋昔。好吧，翟老师她们一把就将这些问题都覆盖到了。Ising 只是简单复述一二，感兴趣的读者可移步御览全文和细节：(1) 成功制备了 freestanding 的 LaMnO3 薄膜 (membrane)，让基于透射式电子衍射的暂态过程探测能够更加纯粹与易于获取；(2) 超短激光激发，显著压制了晶格畸变，压制了 Jahn – Teller 畸变模式，使得原本正交的晶格结构更靠近高对称性，即立方结构；(3) 铁磁性 FM 和金属性特征更为明显。
这些物理，与量子材料人梦里想象中的、走向 LaMnO3 基态的物理过程倒有些贴合，但也有若干出乎意料，从而给了我们以信心和支持，也展现了这一工作的意义和价值。
既然与我们基于当下知识的想象接近，那量子材料人为何要如此费心竭力地去探索这些暂态过程？Ising 愚钝，无法体会他们的心中所想。一种可能，是为了对现有材料进行改性和调控提供指导。那些个于体系达到平衡过程中所经历的超短、超快暂态，很有可能：
(1) 蕴含了始料未及的一些 emergent phenomena；
(2) 包含了我们期待的、更深刻一些的 phenomena。
这很像高压物理那般：压一压，就可能出现很多新的物态和行为。它们之中，有些是出乎意外的，有些是我们期待的。追踪一下那些暂态过程，也许会指导我们对量子材料施加一些修饰、改性、激励、甚至根本革新，从而得其所得。这，就是量子材料人追求卓越的价值之一吧？！善哉善哉！
雷打不动的结尾：Ising 是外行，如若理解错了，敬请谅解。各位有兴趣，还是请前往御览原文。原文链接信息如下：
Photoinduced evolution of lattice orthorhombicity and conceivably enhanced ferromagnetism in LaMnO3 membranes
Qinwen Lu, Yun Cheng, Lijun Wu, Hongli Guo, Fengfeng Qi, Haijuan Zhang, Junxiao Yu, Qixin Liu, Qing Wang, Genhao Liang, Jie Chen, Yalin Lu, Jie Zhang, Dao Xiang, Jin Zhao, Yimei Zhu & Xiaofang Zhai
npj Quantum Materials volume 7, Article number: 47 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00456-4
七律·夏日俯瞰 (新韵)
西风百里漫沟庐，小榭东奔正午荼
大漠横行千道岭，黄砂狂热九重伏
飞舟壑岭怜阴碛，云影孤原抚赤株
吾愿跃出天幕外，相留寂静惯凋枯
备注：
(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。
(2) 小文标题“量子材料亦隐形”有渲染之嫌，恭请谅解。这里只是表达，超快、超短和超强探测，可以揭示那些基态和低能激发态之外的新物态。个中曲折，令人遐想。
(3) 文底图片乃美国科罗拉多峡谷地带的一处地貌，展示寻找那些隐藏世界的艰难与挑战 (20180701)。与之匹配，小诗写意一位行者，一早从 Telluride 出发所看到的景致。那天，西风跋扈，行者先向西穿越百里沟渠、再转东北穿两百里山谷、最后到达 Montrose 镇 (20180630)。
(4) 封面图片展示了 Quantum tunneling of relativistic fermions in the 0th Landau level in YbMnBi2 [NC 8, 646 (2017)]，形象生动。来自 https://quantumlab.uark.edu/research/。
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