固體材料中的電聲耦合是凝聚態體系中最基本的相互作用之一，它對各種物理現象起著重要作用。比如，低能電子激發與晶格振動的耦合將極大地影響體系的輸運和熱力學性質，並有助於間接帶隙半導體的光吸收過程。

電聲耦合還從根本上提供了一種電子-電子間有效的吸引相互作用，這也成為常規超導現象中電子配對的起源

。對聲子體系，電聲耦合會顯著影響晶格勢以及聲子色散關係，導致光電子譜、拉曼譜中的特徵結構和孔恩異常。電聲耦合也在自旋電子學和量子資訊領域發揮著重要作用，例如，

它耦合了極化子中的晶格和自旋自由度，並調節了NV色心中電子自旋的壽命

。因此，對電聲耦合的理解是研究固體動力學永遠無法忽視的基本過程。

作為描述多體量子系統動力學的標準方法之一，絕熱的玻恩-奧本海默近似將體系的電子-聲子動力學看作較輕的電子絕熱地跟隨較重原子核的運動，在此過程中電子始終保持基態。然而，

當電子態之間的能隙接近原子核運動的能量尺度時（比如金屬和窄帶隙量子材料中的動力學），絕熱近似將會失效

。此時，為了準確地理解和預測材料的電聲耦合及其動力學行為，必須要考慮非絕熱效應（圖1）。作為多體系統中最引人注目的現象之一，非絕熱效應對於理解和精準預測量子材料的動力學行為至關重要。

圖1：絕熱和非絕熱影象下的聲子振動勢能面（左圖）以及相對應的費米麵（右圖）。TEP （thermal equilibrium phonons）：熱聲子；SNCP （strong nonlinear coherent phonons）：強非線性相干聲子。

最近，利用自主開發的第一性原理含時密度泛函分子動力學方法結合已有的實驗資料，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF10研究組的博士生胡史奇等在孟勝研究員和王恩哥院士的指導下，

探索了固體中電子-聲子非平衡動力學中的非絕熱效應

。他們揭示了非絕熱效應對電子分佈、聲子能量、電聲耦合以及相應的超導臨界溫度的修正有巨大貢獻（圖2）。

這種非絕熱電聲耦合本質是非平衡態下電聲耦合矩陣重整化和電子費米麵展寬共同作用的結果，且具有很強的同位素效應

。

圖2：非絕熱效應對石墨烷的 （a） 聲子頻率，（b） 電聲耦合強度，（c） 超導轉變溫度的修正。橫座標表示空穴摻雜後費米麵的移動。紅線為考慮非絕熱效應的結果，藍線和黑點為絕熱近似下的結果。

此外，利用鐳射誘導的相干聲子動力學，

他們開發了一種不受簡諧和絕熱近似限制，在非平衡態下對大空間尺度晶格勢的全光學重構技術

。藉助此技術，他們進一步揭示了非絕熱效應對晶格勢及其相關機械、熱學性質的修正作用。這種非絕熱修正透過電聲耦合將有效晶格勢調製為基態和不同激發態的勢能面的組合。令人驚奇的是，

晶格勢的非簡諧部分對於非絕熱修正非常敏感，在某些材料中，該效應對非簡諧勢係數的修正可以高達45%

（圖3）。

圖3。 非絕熱效應對固體的晶格勢重構的修正作用。非絕熱效應對晶體勢的簡諧部分（即聲子頻率ℏ）影響較小，而對晶體勢的非簡諧係數（）影響巨大。

這些發現表明，

非絕熱效應會顯著影響材料電聲耦合相關的特性（如超導電性以及相干聲子動力學過程），其作用比以前設想的更加廣泛、更加重要，在確定量子多體系統中的精確相互作用時應該得到充分考慮

。非絕熱電聲耦合的研究也將為量子材料動力學的研究和應用提供了新的理解和相應策略。相關成果發表在Mat。 Today Phys。 27， 100790 （2022） 以及Phys。 Rev。 B 105， 224311 （2022） 上。

相關研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委專案、中國科學院專案的資助。

論文資訊：

S。Q。 Hu， D。Q。 Chen， S。J。 Zhang， X。B。 Liu， S。 Meng*。 Probing precise interatomic potentials by nonadiabatic nonlinear phonons。 Mat。 Today Phys。 27， 100790 （2022）。

S。Q。 Hu， X。B。 Liu， D。Q。 Chen， C。 Lian， E。G。 Wang*， S。 Meng*。 Nonadiabatic electron-phonon coupling and its effects on superconductivity。 Phys。 Rev。 B 105， 224311 （2022）。

文章連結：

MatTodayPhys27。100790。pdf

PhysRevB。105。224311。pdf

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯絡原公眾號

編輯：TT