近日，由上?？萍即髮W(xué)、丹麥奧胡斯大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，利用瑞士自由電子激光裝置（SwissFEL）的超快X射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)站，首次在錳氧化物La_0.5Sr_1.5MnO₄中觀(guān)測(cè)到光誘導(dǎo)軌道序熔化過(guò)程中表面與體相動(dòng)力學(xué)的顯著差異，揭示了傳統(tǒng)相干相變模型無(wú)法解釋的“無(wú)序驅(qū)動(dòng)”熔化機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《自然-材料》（Nature Materials）。

在量子材料中，軌道、自旋、電荷等多個(gè)自由度之間的強(qiáng)耦合作用導(dǎo)致豐富的相態(tài)競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)光調(diào)控這些相變是實(shí)現(xiàn)新材料功能的重要途徑。以往研究普遍認(rèn)為光激發(fā)會(huì)引發(fā)材料整體的協(xié)同結(jié)構(gòu)畸變，即“相干相變”。然而，這種模型忽略了外部激光激勵(lì)本征的深度方向異質(zhì)性，特別是表面區(qū)域的特殊性。對(duì)于很多量子調(diào)控的器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，表界面和調(diào)控深度是核心元素。

圖1： (a) 超快X射線(xiàn)表面與體相探測(cè)示意圖， (b, c) 光誘導(dǎo)的體相軌道序演化

本研究創(chuàng)新性地同時(shí)利用了對(duì)表面敏感的軌道截?cái)鄺U和對(duì)體相敏感的軌道布拉格峰作為探測(cè)手段。在光脈沖激發(fā)后，研究人員發(fā)現(xiàn)表面軌道序在幾皮秒內(nèi)迅速熔化，關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度顯著縮短，而體相軌道布拉格峰卻出現(xiàn)“平均關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度變長(zhǎng)”的現(xiàn)象。進(jìn)一步分析表明，這一反常觀(guān)測(cè)結(jié)果是因?yàn)楸砻鏌o(wú)序化后，X射線(xiàn)探測(cè)信號(hào)更多來(lái)自未被完全激發(fā)、具有更長(zhǎng)關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度的體相區(qū)域，揭示了材料初始狀態(tài)的深度異質(zhì)性。

圖2： 表面軌道序的熔化與聲子震蕩

不同于對(duì)體相敏感的軌道布拉格峰的超快演化，表面軌道序熔化的同時(shí)伴隨明顯的聲子耦合震蕩，而且在高強(qiáng)度泵浦情況下出現(xiàn)震蕩頻率倍頻。由于體相敏感的軌道布拉格峰的超快演化受到非本質(zhì)的異質(zhì)性影響，表面敏感的測(cè)量才是更真實(shí)的超快激光驅(qū)動(dòng)的相變過(guò)程。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程不可避免地受到表面的特殊性影響。另外，在表面軌道序熔化的同時(shí)，出現(xiàn)了大范圍的漫散射信號(hào)。小動(dòng)量長(zhǎng)程的聲子首先大量被激發(fā)，然后過(guò)渡到短程和局域軌道漲落強(qiáng)耦合的晶格畸變極化子。這樣的過(guò)程揭示：La_0.5Sr_1.5MnO₄中光誘導(dǎo)軌道序熔化相變由非相干的無(wú)序增長(zhǎng)主導(dǎo)。

圖3：慢散射信號(hào)的時(shí)空演化

本研究發(fā)展的表面敏感超快X射線(xiàn)散射技術(shù)，為解決光致異質(zhì)相變這一長(zhǎng)期挑戰(zhàn)提供了關(guān)鍵技術(shù)手段。通過(guò)精確分離表面與體相響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了光致軌道序熔化非相干無(wú)序化路徑。本工作不僅揭示了光致軌道序熔化的機(jī)制，也為理解其他量子材料中的超快相變提供了新范式。尤其是在器件實(shí)現(xiàn)和外部激勵(lì)輸入的環(huán)境下，表界面是核心調(diào)控通道。通過(guò)識(shí)別和利用表面特異性響應(yīng)，未來(lái)有望發(fā)展出更可靠的量子材料調(diào)控策略。

上海科技大學(xué)柳學(xué)榕教授和奧胡斯大學(xué)Simon E. Wall教授為共同通訊作者，上海科技大學(xué)博士生李翔為共同作者。

論文標(biāo)題： Ultrafast surface melting of orbital order in La_0.5Sr_1.5MnO₄

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41563-025-02379-4