近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队与美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授团队、瑞士洛桑理工大学Fabrizo Carbone教授团队等开展合作，提出了一种基于自由电子-光子相互作用的新型双色超快泵浦-探测方案，将四维超快电镜的时间分辨提升了一个数量级，在飞秒与纳米时空尺度揭示了单个Mott绝缘体VO2纳米线的绝缘体-金属相变动力学过程。该研究于11月13日以“Nanoscale-femtosecond dielectric response of Mott insulators captured by two-color near-field ultrafast electron microscopy”为题，发表在国际重要学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
四维超快电子显微镜（4D UEM）以其超高的时空分辨率被广泛应用于超快结构动力学分析，但由于光阴极发射的电子存在能散，且在自由飞行过程中存在较强空间电荷作用，导致其时间分辨率被限制在数百飞秒量级，远大于材料中电子运动的时间尺度（数十飞秒）。近年来，几种电子脉冲压缩方案（如射频压缩、太赫兹压缩等）被提出可进一步提高4D UEM的时间分辨率，但是数十飞秒与纳米时空尺度的成像至今尚未实现。
研究团队提出了一种双色光泵浦的光子诱导近场电子显微镜（two-color PINEM）方案，使用两束不同波长、偏振相互垂直的飞秒激光作为泵浦光（图1a所示的P1和P2），其中长波长飞秒脉冲P1（800nm、50 fs）与光阴极发射的电子脉冲同时到达样品上，利用自由电子-光子调制作用进行“电子选通”，产生用于探测和成像的飞秒PINEM电子脉冲，短波长飞秒脉冲P2（400 nm、50fs）则作为泵浦光激发样品动力学过程，通过调节P1与P2的时间延迟和利用电子能量过滤系统，从而实现超高时空分辨的PINEM电子成像。P1照射到样品上时会产生局域近场（极化方向与样品边缘垂直以获得最大局域场），满足能量-动量守恒的电子可以与该近场非弹性地交换多个光量子，从而在电子能谱零损失峰（ZLP）两侧出现一系列离散的PINEM电子峰，其间隔为光量子能量的整数倍，且PINEM电子脉冲宽度由P1飞秒脉冲宽度决定（P1起到“时间开关”的作用）。另一方面，样品的介电函数信息（与样品电子态密切相关）则通过P1产生的近场被直接编码到了PINEM信号中，通过探测样品在P2飞秒脉冲泵浦之后（P2极化方向与样品边界平行，以排除P2 产生的近场干扰）PINEM信号的变化来监测其介电函数随时间的演化，从而获得样品电子态的动力学过程。由于PINEM电子脉冲宽度仅由P1飞秒脉冲（时间开关）决定，与原始电子脉冲宽度无关，从而使4D UEM时间分辨率提升了一个数量级。
图1：a、Two-color PINEM实验装置示意图；b、电子能谱零损峰和PINEM能谱；c、PINEM电子能谱随时间的演化；d、原始电子脉冲和P1脉冲的脉冲宽度测量。
为了验证这一方案，该团队研究了单个Mott绝缘体VO2纳米线在飞秒激光激发下的绝缘体-金属相变的超快动力学过程。VO2的绝缘体相具有较高的介电常数，当转变为金属相时其介电常数降低，从而产生的局域近场变弱，导致PINEM信号强度降低，同时近场的衰减长度也依赖于样品的介电函数。利用PINEM信号强度和空间分布随时间的演化，研究人员首次在~50 fs与几纳米的时空尺度揭示了单根VO2纳米线绝缘体-金属相变的瞬态动力学过程，获得了比常规光学探针和电子探针高几个数量级的组合时空分辨率（10-21m·s）。绝缘体相的VO2 纳米线在瞬态激发时，激发态电子对导带的掺杂引起其能带内电子的重新分布，导致VO2的带隙重整化，使其绝缘带隙（0.7eV）瞬时崩塌转变为金属相。与此同时，V-V成键轨道的减少则导致单斜晶格双阱原子间势的修正，使其变得高度非简并和平坦，进而触发原子运动导致长程Peierls V-V二聚化的消除，这一过程发生在300–500 fs的时间尺度。最后，由于声学声子的非简谐振动，系统向初始电子平衡态恢复，在数十皮秒时间内向绝缘相弛豫。未来与先进的阿秒脉冲技术结合，该方案有望在4D UEM中实现亚飞秒乃至阿秒时间分辨率，从而在亚飞秒与纳米时空尺度观测功能材料中电荷运动的超快动力学过程。
图2：b、VO2纳米线周围不同时间的PINEM信号分布；c、PINEM信号强度随时间的演化；d、VO2纳米线周围不同时间的归一化的PINEM信号分布；e、PINEM近场信号空间衰减长度随时间的演化。
南开大学物理科学学院付学文教授为论文第一作者兼通讯作者，南开大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金委、南开大学等部门的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19636-6
团队简介：
付学文，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，天津市杰出青年基金获得者，南开大学“百名青年学科带头人”，国家重点研发计划青年项目首席科学家。2014年博士毕业于北京大学凝聚态物理专业，曾先后在美国加州理工学院和美国布鲁克海文国家实验室从事研究工作。2019年受聘于南开大学物理科学学院，建立了南开大学超快电子显微镜实验室和超快动力学研究团队。长期从事超快电子显微镜、超快阴极荧光等超高时空分辨电子成像与探测技术开发及其在低维量子功能材料的结构、载流子及自旋等动力学中的应用研究。在Science、Science Advances（3篇）、Nature Communications、Advanced Materials、PNAS、ACS Nano（4篇）、Nano Letters等知名国际期刊发表学术论文数十篇，获授权发明专利1项。团队长期招聘TEM、超快光谱、凝聚态物理和低维功能材料结构与载流动力学等方向的师资博士后和副教授。个人主页：http://my.nankai.edu.cn/wlxy/fxw/list.htm。
