【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，眾多科學(xué)工作者投身光與物質(zhì)的科學(xué)研究，更新著(zhù)社會(huì )對于微觀(guān)世界的認知。當光與量子材料相遇，會(huì )碰撞出怎樣的火花？

　　近日，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授研究組首次在半導體材料黑磷中實(shí)現弗洛凱瞬時(shí)能帶調控并發(fā)現獨特的光學(xué)選擇定則，為調控材料性質(zhì)、開(kāi)發(fā)新型器件奠定了基礎。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(kāi)關(guān)”

　　光與物質(zhì)的相互作用是探究低維量子材料微觀(guān)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(shí)現平衡態(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(guò)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(guān)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(huì )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(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(lái)調控這些材料的DNA，從而獲得我們想要得到的一些性質(zhì)。”

　　當前學(xué)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(dòng)力學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段。周樹(shù)云團隊利用脈沖激光，將時(shí)間精度控制到萬(wàn)億分之一秒，邁出了實(shí)現瞬時(shí)調控材料特性的堅實(shí)一步。

　　據悉，在超快時(shí)間尺度（皮秒甚至飛秒）上實(shí)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(tài)物理知識的前沿，還將為未來(lái)新型、高速器件的開(kāi)發(fā)和應用奠定重要的科學(xué)基礎。

　　給黑磷中的電子“拍電影”

　　能帶結構的瞬時(shí)調控究竟是如何實(shí)現的？

　　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)調控研究中，一個(gè)備受關(guān)注的重要研究方向是通過(guò)周期振蕩的勢場(chǎng)誘導量子物態(tài)的變化，進(jìn)而實(shí)現對其電子結構的調控，該方案被稱(chēng)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(xué)家的廣泛關(guān)注，并被應用于凝聚態(tài)物理、冷原子物理和光晶格等領(lǐng)域。近十年來(lái)，弗洛凱瞬時(shí)能帶和物性調控已經(jīng)發(fā)展成為國際上凝聚態(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(shí)驗進(jìn)展非常少。很多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)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(shí)現能帶結構的瞬時(shí)調控，仍然有待實(shí)驗的證實(shí)。

　　周樹(shù)云研究組多年來(lái)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)調控的實(shí)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(chǎng)等極端實(shí)驗條件，研究組針對領(lǐng)域難點(diǎn)投入了大量精力，攻克了中紅外強場(chǎng)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(shù)指標的超快時(shí)間分辨角分辨光電子能譜系統。

　　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)典半導體材料。通過(guò)精細調節中紅外激發(fā)光源的光子能量，研究組發(fā)現當光子能量與帶隙接近共振時(shí)，黑磷的電子結構從平衡態(tài)的拋物線(xiàn)形狀演化為在帶頂打開(kāi)能隙的“墨西哥帽”形狀，并觀(guān)察到了復制的弗洛凱邊帶。

　　在研究其中的弗洛凱瞬時(shí)能帶調控時(shí)，研究組使用了類(lèi)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(lái)之前、剛好到達時(shí)以及光離開(kāi)以后整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的關(guān)鍵時(shí)刻，從而觀(guān)察它是怎樣演化的。在此基礎上，他們通過(guò)系統性地探究該瞬時(shí)能隙對時(shí)間、光強和電子摻雜等變量的響應等，確認了所觀(guān)測到的瞬時(shí)能隙是由弗洛凱能帶工程所導致。

　　研究組還發(fā)現，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(zhù)黑磷的扶手椅型方向時(shí)，才會(huì )出現瞬時(shí)能隙，揭示出弗洛凱能帶工程調控具有特定的光學(xué)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(shí)，飛秒激光調控的迅速“開(kāi)關(guān)”特點(diǎn)也為進(jìn)一步探索拓撲物態(tài)、關(guān)聯(lián)物態(tài)（磁性、超導等）的瞬時(shí)調控奠定了重要基礎。此外，這一獨特的偏振選擇效應未來(lái)也有望應用于光學(xué)偏振相關(guān)的光電器件應用中。