Correlations drive the attosecond response of strongly-correlated insulators
通过对氧化镍进行的阿秒分辨率实验结合先进计算，研究人员证明了强关联绝缘体的超快响应是由激光驱动的电子关联猝灭所控制的，这标志着首次直接测量到在几飞秒内发生的哈伯德 库仑相互作用重整化。
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想象一下，原子世界就像一个繁忙而混乱的舞池。在某些材料中，舞者（电子）非常礼貌，保持着距离，各自按照自己的节奏独立移动。但在“强关联”材料中，舞者们被一种无形的、强烈的力量粘合在一起；他们会对邻居的每一个动作做出即时反应，从而创造出一种复杂且同步的混沌状态，这种状态极难预测。科学家们长期以来一直希望利用光来控制这种舞蹈，希望能比以往任何时候都更快地实现材料的开关切换。为了做到这一点，他们需要理解在极短的时间尺度内——具体来说是“阿秒”领域——究竟发生了什么；一个阿秒之于一秒，就像一秒之于宇宙的年龄。核心问题在于：当你用超快激光脉冲冲击这些紧紧粘合在一起的舞者时，他们是会加速疯狂起舞，还是这种紧密的连接会像一条厚重的毯子一样，让一切都慢下来？
这篇论文深入探讨了这个问题，通过向两种截然不同的绝缘体（通常不导电的材料）射入超快、高强度的激光脉冲来进行研究。第一种是氧化镁（MgO），一种“乏味”的材料，其中的电子表现得像礼貌且独立的舞者。第二种是氧化镍（NiO），一种“强关联”材料，其中的电子被一种被称为“哈伯德 U”（Hubbard U）的力量紧紧粘合在一起。你可以把哈伯德 U 理解为两个电子挤在同一个位置时所要支付的“代价”；在 NiO 中，这个代价非常高，使得该材料的行为变得奇特且复杂。研究人员想要观察是否可以利用光来暂时降低这个“价格标签”，从而有效地改变电子之间相互作用的方式。
团队进行了一项高速实验，扮演着“频闪摄影师”的角色。他们发射了一个 5 飞秒的激光脉冲（“泵浦”）来踢击电子，然后立即使用阿秒 X 射线脉冲（“探测”）拍摄快照，以观察材料如何反射光线。当他们观察那些礼貌的 MgO 时，结果完全符合物理教科书的预测：电子与激光电场完美同步地前后摆动，产生了一种有节奏的振荡信号。这就像舞者们在跳一段快速的同步小舞。
然而，当他们对同样紧密粘合的 NiO 开启相同的激光时，结果却完全不同且令人惊讶。那里没有节奏感的小舞。相反，电子似乎完全忽略了激光场快速的摆动。它们并没有发生振荡，而是材料的能量水平只是平滑地向下移动，就像一部沉重的电梯在下降。研究人员发现，强烈的激光光脉冲不仅是在推动电子，它实际上还“淬灭”或暂时降低了电子间相互作用的“胶水”强度（即哈伯德 U）。这种降低发生得非常快，但并非瞬间完成。通过分析数据，他们测量出这种电子胶水强度的变化大约耗时 13.3 ± 1.0 飞秒。
该论文证实这并非仅仅是猜测；团队运行了先进的计算机模拟（使用一种称为 TDDFT+U 的方法），其结果与实验结果完美匹配，表明解释这些数据的唯一方式就是哈伯德 U 被光动态地降低了。他们也排除了其他可能性，例如信号来自于简单的加热或电子被撞离原位。有趣的是，虽然电子层面的变化发生在几飞秒内，但材料的物理结构（原子本身）反应要慢得多，直到大约 280 ± 60 飞秒后才开始发生偏移。
最终，这项研究揭示了在强关联材料中，电子不仅仅是随着激光的节拍起舞，它们甚至改变了舞池的规则。激光脉冲就像一根魔杖，暂时降低了电子彼此靠近的成本，这一过程发生在几飞秒之内。这是科学家首次直接测量到哈伯德 U 在发生过程中的这种“重整化”。尽管为什么它需要 13.3 飞秒而不是瞬时发生的具体原因仍是一个谜（或许涉及电子如何屏蔽彼此的延迟），但这一发现开启了一扇新的大门。它表明，我们可能能够在以前认为不可能的速度下控制材料的基本属性，这在未来有望带来超快速的电子开关。
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