清華大學團隊發現瞬時改變物態的激光“開關” 或可改寫材料“基因”
【化工儀器網 項目成果】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而廣受關注。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生劇烈的變化。
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，并且其中超短、超強脈沖激光還可作為電子結構及物態的有效調控手段，實現平衡態所不具有的新物態、新效應。當前學界的研究主要聚焦在材料的平衡態特性，而對其非平衡態物理及超快動力學的研究尚處于發展階段。
非平衡態超快動力學和瞬時物態調控研究中，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的變化，進而實現對其電子結構的調控，該方案被稱為弗洛凱工程(Floquet engineering)。從材料的晶格結構出發，電子受到空間中周期性變化晶格的影響，形成在動量空間具有周期性的能帶結構，導致整個材料呈現出金屬、絕緣體、半導體乃至超導體的多種性質的可能。與之相類比，外加的周期振蕩勢場將導致電子在能量空間出現能帶結構的周期性復制，進而形成弗洛凱態。進一步地，通過電子與周期勢場的相互作用對低維量子材料的能帶結構、對稱性及拓撲性質的瞬時調控，可實現平衡態所不具有的新物態，例如，將拓撲平庸的材料轉變為拓撲材料，實現遠離平衡態的拓撲超導態等。
近日，周樹云研究組和合作者首次在半導體材料黑磷中實現了脈沖激光誘導的弗洛凱瞬時能帶調控，并發現其與黑磷的贗自旋具有獨特的耦合作用及光學選擇定則。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，邁出了實現瞬時調控材料特性的堅實一步。在超快時間尺度(皮秒甚至飛秒)上實現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物理知識的前沿，還將為未來新型、高速器件的開發和應用奠定重要的科學基礎。
相關成果Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus于近日發表在國際期刊Nature雜志。
資料來源：清華大學
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