【科技前沿】

　　光明日報記者 鄧 暉 光明日報通訊員 常瀟予

　　古今中外，眾(zhong) 多科學工作者投身光與(yu) 物質的科學研究，更新著社會(hui) 對於(yu) 微觀世界的認知。當光與(yu) 量子材料相遇，會(hui) 碰撞出怎樣的火花？

　　近日，清華大學物理係周樹雲(yun) 教授研究組首次在半導體(ti) 材料黑磷中實現弗洛凱瞬時能帶調控並發現獨特的光學選擇定則，為(wei) 調控材料性質、開發新型器件奠定了基礎。相關(guan) 研究成果日前發表在《自然》雜誌上。

　　瞬時改變物態的激光“開關(guan) ”

　　光與(yu) 物質的相互作用是探究低維量子材料微觀物理機製的重要探測手段，其中超短、超強脈衝(chong) 激光還可作為(wei) 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。

　　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(guan) 注。例如，相比於(yu) 石墨的三維立體(ti) 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(hui) 因為(wei) 維度的降低而發生劇烈的變化。

　　“我們(men) 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(jue) 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(men) 所做的就是利用飛秒激光來調控這些材料的DNA，從(cong) 而獲得我們(men) 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特性，而對其非平衡態物理及超快動力學的研究尚處於(yu) 發展階段。周樹雲(yun) 團隊利用脈衝(chong) 激光，將時間精度控製到萬(wan) 億(yi) 分之一秒，邁出了實現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）上實現電子結構和物理特性的測量和調控，不僅(jin) 能夠拓展非平衡態物理知識的前沿，還將為(wei) 未來新型、高速器件的開發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的？

　　研究組介紹，在非平衡態超快動力學和瞬時物態調控研究中，一個(ge) 備受關(guan) 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(wei) 弗洛凱工程。

　　弗洛凱態的概念自20世紀初被提出後就引起了物理學家的廣泛關(guan) 注，並被應用於(yu) 凝聚態物理、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展成為(wei) 國際上凝聚態物理和材料科學的一個(ge) 重要科學前沿。然而，盡管理論方麵湧現出豐(feng) 富的預言，與(yu) 之形成鮮明對比的是凝聚態體(ti) 係中的實驗進展非常少。很多關(guan) 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(ti) 中實現能帶結構的瞬時調控，仍然有待實驗的證實。

　　周樹雲(yun) 研究組多年來致力於(yu) 低維量子材料的電子能譜和非平衡態超快動力學的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態調控的實驗研究。由於(yu) 弗洛凱調控要求激發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衝(chong) 激發光源以及與(yu) 角分辨光電子能譜儀(yi) 結合方麵的困難，研製出具有前沿技術指標的超快時間分辨角分辨光電子能譜係統。

　　在材料體(ti) 係方麵，研究組巧妙地選取了黑磷這個(ge) 具有小帶隙、高遷移率的經典半導體(ti) 材料。通過精細調節中紅外激發光源的光子能量，研究組發現當光子能量與(yu) 帶隙接近共振時，黑磷的電子結構從(cong) 平衡態的拋物線形狀演化為(wei) 在帶頂打開能隙的“墨西哥帽”形狀，並觀察到了複製的弗洛凱邊帶。

　　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下，從(cong) 光到來之前、剛好到達時以及光離開以後整個(ge) 動態過程中的關(guan) 鍵時刻，從(cong) 而觀察它是怎樣演化的。在此基礎上，他們(men) 通過係統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。

　　研究組還發現，黑磷中的弗洛凱能帶工程對激發光源的偏振具有強烈的選擇性：隻有當泵浦光偏振沿著黑磷的扶手椅型方向時，才會(hui) 出現瞬時能隙，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(wei) ，這些研究結果不僅(jin) 為(wei) 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(guan) ”特點也為(wei) 進一步探索拓撲物態、關(guan) 聯物態（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於(yu) 光學偏振相關(guan) 的光電器件應用中。