量子弛豫时间的直接测量方法

近日，南方科技大学双聘讲席教授项晓东（材料科学与工程系和物理系）课题组与上海交通大学、中国科学技术大学等合作，在量子弛豫时间的测量方法上取得重要进展，相关成果发表于《国家科学评论》 （National Science Review,NSR）。

导电电子的量子弛豫时间（τ）是凝聚态物理中的一个基本参数，决定着金属导电率和半导体迁移率，超导体的赝能隙和临界温度，以及量子计算关键材料中的电子传播距离。准确测量τ，并理解各种相互作用对τ的影响，可以帮助我们更好地理解凝聚态物理中的许多前沿问题，如强关联相互作用、弱局域化效应，拓扑材料和自旋量子材料，以及设计和制备下一代电子学器件等。

然而，量子弛豫时间τ的直接测量一直无法实现。传统上，要获得τ值，只能利用电接触法确定载流子迁移率（μ），再利用极低温磁振荡实验获得有效质量（m*），进而通过公式τ=μm* / e间接确定静态场下的τ。

100多年前，Drude提出了自由电子与光场耦合振荡模型（Drude model），为使用光学方法直接测量τ值提供了理论基础。然而长期以来，该模型与实验数据存在量级偏差，无法直接用来确定材料的量子弛豫时间。

传统凝聚态物理一般认为，τ值由电子-电子、电子-声子、电子-杂质三种散射机制共同决定。在这项工作中，南方科技大学项晓东研究团队，通过原始创新的理论模型和方法，发现了一种全新的电子散射机制-束缚电子的非弹性散射，并成功地从等离子体共振峰宽度中提取出传导电子的量子弛豫时间（τ）等输运参数，解决了Drude模型无法确定量子弛豫时间的百年难题。由此出发，研究者使用光学远场探针，实现了对τ的直接测量。

20世纪90年代，项晓东博士发明材料芯片技术（X.-D. Xiang, et al., Science, 268, 1738:1995），开启了以高通量制备、表征和计算为基础的材料基因工程研究。目前，高通量制备技术已日臻成熟，但仍然缺少无损、原位、微区的高通量电-热-磁-力多参量光学表征技术，导致材料大数据仍然匮乏。这项研究工作不仅突破了基于远场光学的高通量电学表征瓶颈，也为材料的热、电、磁、力多参数快速表征奠定了基础，将进一步推动材料科学迈入以大数据为基础的科学第四范式。

南方科技大学材料系张鹏博士、唐浩奇博士、顾川川博士为论文的并列第一作者，项晓东教授和上海交通大学汪洪教授为共同通讯作者。论文作者还包括南方科技大学材料系罗光富助理教授，中国科学技术大学陆亚林教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、南方科技大学高水平专项等项目的支持，计算资源得到了南方科技大学计算科学与工程中心的支持。

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