[文章背景]
在量子材料中，电子、自旋、轨道与晶格之间存在着强烈的耦合作用，这使得材料在外界扰动下可能展现出截然不同的物态与性质。其中，轨道有序态作为一种典型的电子有序形式，广泛存在于锰氧化物等强关联材料中，其形成与破坏过程对材料的导电性、磁性等关键特性具有决定性影响。近年来，利用超快激光脉冲实现对量子材料中轨道序的非热调控，已成为探索新奇物态与控制材料功能的重要途径。早期的研究，例如在 Pr0.7Ca0.3MnO3 中，发现光激发可通过相干地改变 Mn-O 键角，诱导绝缘体-金属相变，这一机制被称为“相干晶格调控”。该机制假设材料在光激发后整体发生均匀的结构畸变，从而改变电子序。上海科技大学的柳学榕研究员及其合作者在相关前期工作中，也深入探索了中红外激光通过非线性声子激发调控材料结构的物理过程，为光控量子材料提供了重要实验依据。
然而，随着超快实验技术的发展，越来越多的证据表明，光诱导相变的过程可能并非完全均匀。尤其是在材料表面，由于激光穿透深度有限，往往会在表层形成与体相截然不同的激发状态，即出现“光致异质性”。柳学榕团队在前期研究中已注意到，在光致相变过程中，材料可能通过无序化路径——而非纯粹的相干路径——实现电子序的破坏，这一现象在 VO2 等体系中尤为明显。
为了深入揭示表面与体相在超快过程中的不同角色，亟需一种能够区分表面与体相响应的实验手段。传统X射线衍射虽然能探测体相布拉格峰，但对表面敏感的信号却难以捕捉，导致对光诱导相变的解读往往依赖于“材料初始状态均匀”这一理想化假设。为此，柳学榕团队联合多个国际研究组，利用瑞士自由电子激光装置 SwissFEL，发展了一种基于表面敏感X射线散射的新方法，首次在实验上实现了对轨道序表面动力学的独立探测，从而揭示了光致轨道序熔化的真实过程——并非整体协同的相干畸变，而是始于表面、以无序为主导的局域瓦解。这一发现不仅挑战了过去对光控相变机制的认知，也为未来在异质结构中设计超快光控器件提供了新的物理基础。
[内容介绍]
- 实现了表面与体相超快动力学的分离探测
本研究最大的技术突破在于，成功分离并同时测量了材料表面和体相在飞秒激光激发后的超快动力学行为。研究人员利用X射线在掠入射条件下的轨道截断杆 信号，特异性地探测仅存在于表层的轨道序；同时，通过测量轨道布拉格峰 来反映体相的轨道序。这种“双管齐下”的实验设计，首次在同一个实验中清晰地揭示了表面和体相对光激发截然不同的响应，解决了长期以来在异质样品中解读超快动力学信号的难题。
2、光致轨道序熔化始于表面的无序化过程，而非整体的相干畸变
研究指出，体相布拉格峰的“窄化”其实是一种假象。由于样品初始状态就是异质的（表面的轨道关联长度本就比体相短约6倍），激光优先熔化了有序度较差的表面层。当表面的贡献消失后，探测信号主要来自未被完全激发、原本有序度就更高的体相区域，从而导致平均意义上的峰宽变窄。实际上，体相的有序度并未增强，反而是表面的无序化过程主导了初始响应。
3、提出了局域极化子形成的无序熔化新路径
基于对弥散散射的动量空间和动力学分析，研究提出了光致轨道序熔化的微观物理图像：激光激发后，能量并非通过长波长的相干晶格振动释放，而是迅速耦合到一系列高动量的光学声子模。这些振动可能局域在光生电荷周围，形成瞬态的局域极化子。弥散散射的各向异性特征表明，这些极化子畸变并非完全随机，而是依然保留了沿轨道有序链方向的某些关联。这描绘出一幅 “从边缘开始熔化” 的图像：轨道有序的畴域在光激发后从边界开始瓦解，同时伴随着极化子的快速形成，最终导致长程序被破坏，转变为一种局域无序但仍有短程关联的状态。这一 “无序驱动” 的机制，完全不同于此前在该领域占主导地位的“相干结构畸变”模型。
总之，这项工作通过创新的实验方法，揭示了在典型锰氧化物中，光致轨道序熔化是一个始于表面、由无序生成和局域极化子形成主导的非相干过程，修正了过去基于体相探测得出的相干相变图像，为理解和操控量子材料的超快相变提供了新的范式。
[文章结论]
本研究通过发展表面敏感的超快X射线散射技术，成功揭示了激光激发下层状锰氧化物La0.5Sr1.5MnO4轨道序熔化的真实路径。实验表明，轨道序的破坏并非此前普遍认为的均匀相干晶格畸变，而是一个始于材料表面、由无序化主导的非相干过程。表面轨道序在光激发后迅速瓦解，关联长度缩短，并伴随各向异性弥散散射的急剧增强，这指向了局域极化子的快速形成。而体相布拉格峰的反常窄化，实则是由于表面无序层“贡献消失”后，探测信号更多来自未受扰动的深层体相所导致的假象。这项工作从根本上修正了对光致超快相变机制的理解，证明了一种由无序驱动的新熔化机制的存在，并凸显了分辨材料深度异质性对于正确解读超快动力学至关重要，为未来精准光控量子材料的功能态奠定了新的理论基础。
图文解析
图1. 实验装置与体相轨道序动力学© 2025 Springer Nature Limited
图2. 通过轨道截断杆测量的表面轨道序熔化动力学© 2025 Springer Nature Limited
图3. 轨道序熔化过程中的声子动力学© 2025 Springer Nature Limited
图4. 轨道序熔化过程中产生的弥散散射© 2025 Springer Nature Limited
本研究通过创新性地同步测量轨道布拉格峰（OBP，体相）与轨道截断杆（OTR，表面），揭示了光致轨道序熔化的真实图景。实验发现，体相OBP强度下降却反常窄化，而表面OTR则迅速抑制并伴随峰宽展宽和弥散散射剧增，证实了材料初始的深度异质性与表面优先的无序化熔化路径。进一步分析表明，该过程由接近Γ点的超快声子响应驱动，其各向异性的弥散散射特征与极快的上升时间，共同指向了局域极化子的形成是导致长程序瓦解的关键微观机制，从而修正了传统的相干相变模型。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02379-4
