【科技前沿】

古今中外，眾多科學工作者投身光與物質的科學研究，更新著社會對于微觀世界的認知。當光與量子材料相遇，會碰撞出怎樣的火花？

近日，清華大學物理系周樹云教授研究組首次在半導體材料黑磷中實現(xiàn)弗洛凱瞬時能帶調控并發(fā)現(xiàn)獨特的光學選擇定則，為調控材料性質、開發(fā)新型器件奠定了基礎。相關研究成果日前發(fā)表在《自然》雜志上。

(資料圖片僅供參考)

瞬時改變物態(tài)的激光“開關”

光與物質的相互作用是探究低維量子材料微觀物理機制的重要探測手段，其中超短、超強脈沖激光還可作為電子結構及物態(tài)的有效調控手段，實現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)、新效應。

研究組介紹，低維量子材料包括碳納米管、石墨烯、過渡金屬硫族化合物等，以其新奇的物理特性和全新的器件應用受到廣受關注。例如，相比于石墨的三維立體結構而言，石墨烯以其單原子級厚度可以被視作“二維”這樣的低維材料，其中的電子結構也會因為維度的降低而發(fā)生劇烈的變化。

“我們研究的電子能帶結構可以通俗地理解成這些材料的DNA，它決定了材料的各種屬性。”清華大學“水木學者”、論文共同第一作者鮑昌華解釋道，“而我們所做的就是利用飛秒激光來調控這些材料的DNA，從而獲得我們想要得到的一些性質。”

當前學界的研究主要聚焦在材料的平衡態(tài)特性，而對其非平衡態(tài)物理及超快動力學的研究尚處于發(fā)展階段。周樹云團隊利用脈沖激光，將時間精度控制到萬億分之一秒，邁出了實現(xiàn)瞬時調控材料特性的堅實一步。

據悉，在超快時間尺度（皮秒甚至飛秒）上實現(xiàn)電子結構和物理特性的測量和調控，不僅能夠拓展非平衡態(tài)物理知識的前沿，還將為未來新型、高速器件的開發(fā)和應用奠定重要的科學基礎。

給黑磷中的電子“拍電影”

能帶結構的瞬時調控究竟是如何實現(xiàn)的？

研究組介紹，在非平衡態(tài)超快動力學和瞬時物態(tài)調控研究中，一個備受關注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢場誘導量子物態(tài)的變化，進而實現(xiàn)對其電子結構的調控，該方案被稱為弗洛凱工程。

弗洛凱態(tài)的概念自20世紀初被提出后就引起了物理學家的廣泛關注，并被應用于凝聚態(tài)物理、冷原子物理和光晶格等領域。近十年來，弗洛凱瞬時能帶和物性調控已經發(fā)展成為國際上凝聚態(tài)物理和材料科學的一個重要科學前沿。然而，盡管理論方面涌現(xiàn)出豐富的預言，與之形成鮮明對比的是凝聚態(tài)體系中的實驗進展非常少。很多關鍵的科學問題，例如能否在具有電子和光電器件應用前景的半導體中實現(xiàn)能帶結構的瞬時調控，仍然有待實驗的證實。

周樹云研究組多年來致力于低維量子材料的電子能譜和非平衡態(tài)超快動力學的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態(tài)調控的實驗研究。由于弗洛凱調控要求激發(fā)光源具有低光子能量、強峰值電場等極端實驗條件，研究組針對領域難點投入了大量精力，攻克了中紅外強場脈沖激發(fā)光源以及與角分辨光電子能譜儀結合方面的困難，研制出具有前沿技術指標的超快時間分辨角分辨光電子能譜系統(tǒng)。

在材料體系方面，研究組巧妙地選取了黑磷這個具有小帶隙、高遷移率的經典半導體材料。通過精細調節(jié)中紅外激發(fā)光源的光子能量，研究組發(fā)現(xiàn)當光子能量與帶隙接近共振時，黑磷的電子結構從平衡態(tài)的拋物線形狀演化為在帶頂打開能隙的“墨西哥帽”形狀，并觀察到了復制的弗洛凱邊帶。

在研究其中的弗洛凱瞬時能帶調控時，研究組使用了類似“給電子拍電影”的方法：在飛秒尺度上去記錄它在光的激發(fā)下，從光到來之前、剛好到達時以及光離開以后整個動態(tài)過程中的關鍵時刻，從而觀察它是怎樣演化的。在此基礎上，他們通過系統(tǒng)性地探究該瞬時能隙對時間、光強和電子摻雜等變量的響應等，確認了所觀測到的瞬時能隙是由弗洛凱能帶工程所導致。

研究組還發(fā)現(xiàn)，黑磷中的弗洛凱能帶工程對激發(fā)光源的偏振具有強烈的選擇性：只有當泵浦光偏振沿著黑磷的扶手椅型方向時，才會出現(xiàn)瞬時能隙，揭示出弗洛凱能帶工程調控具有特定的光學選擇定則。

研究者認為，這些研究結果不僅為弗洛凱能帶調控提供了重要的思路，同時，飛秒激光調控的迅速“開關”特點也為進一步探索拓撲物態(tài)、關聯(lián)物態(tài)（磁性、超導等）的瞬時調控奠定了重要基礎。此外，這一獨特的偏振選擇效應未來也有望應用于光學偏振相關的光電器件應用中。

（本報記者 鄧 暉 本報通訊員 常瀟予）

關鍵詞： 非平衡態(tài) 光子能量 激發(fā)光源 電子能譜

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