【科技前沿】

　　光明日?qǐng)?bào)記者 鄧 暉 光明日?qǐng)?bào)通訊員 常瀟予

　　古今中外，眾多科學(xué)工作者投身光與物質(zhì)的科學(xué)研究，更新著社會(huì)對(duì)于微觀世界的認(rèn)知。當(dāng)光與量子材料相遇，會(huì)碰撞出怎樣的火花？

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

　　瞬時(shí)改變物態(tài)的激光“開關(guān)”

　　光與物質(zhì)的相互作用是探究低維量子材料微觀物理機(jī)制的重要探測(cè)手段，其中超短、超強(qiáng)脈沖激光還可作為電子結(jié)構(gòu)及物態(tài)的有效調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)、新效應(yīng)。

　　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(yīng)用受到廣受關(guān)注。例如，相比于石墨的三維立體結(jié)構(gòu)而言，石墨烯以其單原子級(jí)厚度可以被視作“二維”這樣的低維材料，其中的電子結(jié)構(gòu)也會(huì)因?yàn)榫S度的降低而發(fā)生劇烈的變化。

　　“我們研究的電子能帶結(jié)構(gòu)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(xué)“水木學(xué)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(diào)控這些材料的DNA，從而獲得我們想要得到的一些性質(zhì)?！?/p>

　　當(dāng)前學(xué)界的研究主要聚焦在材料的平衡態(tài)特性，而對(duì)其非平衡態(tài)物理及超快動(dòng)力學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段。周樹云團(tuán)隊(duì)利用脈沖激光，將時(shí)間精度控制到萬億分之一秒，邁出了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)調(diào)控材料特性的堅(jiān)實(shí)一步。

　　據(jù)悉，在超快時(shí)間尺度（皮秒甚至飛秒）上實(shí)現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)和物理特性的測(cè)量和調(diào)控，不僅能夠拓展非平衡態(tài)物理知識(shí)的前沿，還將為未來新型、高速器件的開發(fā)和應(yīng)用奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

　　給黑磷中的電子“拍電影”

　　能帶結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)調(diào)控究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？

　　研究組介紹，在非平衡態(tài)超快動(dòng)力學(xué)和瞬時(shí)物態(tài)調(diào)控研究中，一個(gè)備受關(guān)注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢(shì)場(chǎng)誘導(dǎo)量子物態(tài)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，該方案被稱為弗洛凱工程。

　　弗洛凱態(tài)的概念自20世紀(jì)初被提出后就引起了物理學(xué)家的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、冷原子物理和光晶格等領(lǐng)域。近十年來，弗洛凱瞬時(shí)能帶和物性調(diào)控已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)際上凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的一個(gè)重要科學(xué)前沿。然而，盡管理論方面涌現(xiàn)出豐富的預(yù)言，與之形成鮮明對(duì)比的是凝聚態(tài)體系中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展非常少。很多關(guān)鍵的科學(xué)問題，例如能否在具有電子和光電器件應(yīng)用前景的半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)調(diào)控，仍然有待實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

　　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(dòng)力學(xué)的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態(tài)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究。由于弗洛凱調(diào)控要求激發(fā)光源具有低光子能量、強(qiáng)峰值電場(chǎng)等極端實(shí)驗(yàn)條件，研究組針對(duì)領(lǐng)域難點(diǎn)投入了大量精力，攻克了中紅外強(qiáng)場(chǎng)脈沖激發(fā)光源以及與角分辨光電子能譜儀結(jié)合方面的困難，研制出具有前沿技術(shù)指標(biāo)的超快時(shí)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(gè)具有小帶隙、高遷移率的經(jīng)典半導(dǎo)體材料。通過精細(xì)調(diào)節(jié)中紅外激發(fā)光源的光子能量，研究組發(fā)現(xiàn)當(dāng)光子能量與帶隙接近共振時(shí)，黑磷的電子結(jié)構(gòu)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(fù)制的弗洛凱邊帶。

　　在研究其中的弗洛凱瞬時(shí)能帶調(diào)控時(shí)，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(dá)時(shí)以及光離開以后整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中的關(guān)鍵時(shí)刻，從而觀察它是怎樣演化的。在此基礎(chǔ)上，他們通過系統(tǒng)性地探究該瞬時(shí)能隙對(duì)時(shí)間、光強(qiáng)和電子摻雜等變量的響應(yīng)等，確認(rèn)了所觀測(cè)到的瞬時(shí)能隙是由弗洛凱能帶工程所導(dǎo)致。

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

　　研究者認(rèn)為，這些研究結(jié)果不僅為弗洛凱能帶調(diào)控提供了重要的思路，同時(shí)，飛秒激光調(diào)控的迅速“開關(guān)”特點(diǎn)也為進(jìn)一步探索拓?fù)湮飸B(tài)、關(guān)聯(lián)物態(tài)（磁性、超導(dǎo)等）的瞬時(shí)調(diào)控奠定了重要基礎(chǔ)。此外，這一獨(dú)特的偏振選擇效應(yīng)未來也有望應(yīng)用于光學(xué)偏振相關(guān)的光電器件應(yīng)用中。