利用时间分辨光电子能谱研究拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 中的超快电子动力学

我们利用时间分辨与角度分辨光电子能谱对拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 进行了表征。通过采用双光子光电子发射，获得了从费米能级直至真空能级的未占据电子结构的完整图像。我们证明，未占据态包含第二个 Dirac 表面态，该态可被 1.5 eV 光子共振激发。随后我们研究了光学激发后的超快弛豫过程。我们发现，这些过程最终导致第一个 Dirac 表面态的持续非平衡态布居，该布居由体态导带的亚稳态布居维持。最后，我们对导带中的电子-声子散射过程进行了温度依赖的研究，并发现了一个出乎意料的结果：其速率随样品温度升高而降低。我们建立了一个电子布居的声子发射与吸收模型，并表明这一有悖直觉的趋势是基本电子-声子散射过程的自然结果。这一分析作为一个重要的提醒：通过时间分辨光电子能谱提取的衰减速率通常不等于单电子散射速率，而是包含了来自连续态填充与排空过程的贡献。