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Nature:可逆!强激光“改造”材料

星之球科技 来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客2022-01-06 我要评论(0 )   

自然界给了丰富的材料供我们使用。从远古时代人们使用的铜器铁器,到支撑着我们今日信息社会的半导体,再到将来能够极大缓解人类能源问题的超导体,无一不仰赖于人们对...

自然界给了丰富的材料供我们使用。从远古时代人们使用的铜器铁器,到支撑着我们今日信息社会的半导体,再到将来能够极大缓解人类能源问题的超导体,无一不仰赖于人们对材料性质的创新。但是,自然界能提供给我们的材料终究是有限的,如何从有限的材料中创造出无限的可能呢?

从上个世纪开始,科学家尝试用各种外加手段去改变自然材料的电学、磁学或光学性质。例如,把材料降到很低的温度,我们可以制造出电阻为零的超导体。把一块铁磁体放到很强的磁场当中,磁体的南极和北极会对调。把两片单原子层厚的石墨烯以某个角度叠在一起,石墨烯会从导体变成绝缘体。

这些改变材料性质的方式已经广泛应用于我们的日常生活和工业生产中,但是如果我们想在很快的时间尺度上(例如太赫兹)调控材料的性质,这些传统方式的速度就有些跟不上了。

因此人们开始探索用光控制材料特性的可能。近些年来超快激光可以产生持续时间越来越短的光脉冲,飞秒尺度的激光早已实现商用。利用这样的超短光脉冲,人们可以在脉冲到达材料的一瞬间将其性质改变。这样的高速度允许我们在一秒钟内能够将材料性质翻转成千上万次,对于信息处理、高速计算大有裨益。

但用光控制材料性质同样面临着瓶颈。其中最为严重的就是光对材料的加热效应。一个正面的例子是,激光切割技术中,强光能让被切割的材料迅速气化,从而留下高质量的材料边缘。

应用在材料性质的超快调控上,这种加热却是我们想避免的。原因有二:

一是高温下材料可能会被损坏;

二是即使超快激光脉冲已经离开了材料,它产生的热量需要很长的时间(通常在纳秒量级)才会耗散掉,这就大大拖慢了材料性质调控的速度。

因此,人们开始思考这样一种可能性:强光在不被材料吸收的情况下快速改变材料的性质。

近些年来理论物理学家开始关注一种新型的弗洛开(Floquet)机制,即强光中周期性振荡的电场与材料中的电子耦合,从而改变材料的能带结构(名词解释),亦即改变材料的性质。

过去十年里,虽然科学家们已在金属中实现了利用弗洛开机制去超快调控能带的拓扑性质(名词解释),但金属中的电子极容易被加热,从而限制了能照射在样品上的激光的强度,因为过强的激光可能会造成材料的损伤。

美国加州理工学院物理系David Hsieh教授课题组的博士生单君翌与合作者提出利用绝缘体材料来实现其光学性质的弗洛开调控,因为只要使用的激光光子能量小于绝缘体的能隙(名词解释),这些光子就不会被吸收。

研究人员选取了MnPS₃半导体单晶来实现这一想法,因为其能隙很大,大约对应于蓝光的光子能量。如果用强红外光来照射材料,就能实现弗洛开机制,即在不加热材料的前提下大幅改变材料的性质。在这个过程中,由于振荡的强光场,电子的能带结构发生变化,但是电子本身不会被激发到高能量上去。这就好像巨浪中的小船:小船随着巨浪上下起伏,但是船上的乘客都稳稳地站在船上。强激光照射在材料上,改变材料对于某些波长的透明度。(图源: Caltech / David Hsieh Laboratory)

强激光照射在材料上,改变材料对于某些波长的透明度。(图源: Caltech / David Hsieh Laboratory)


这样一来,由于电子能带结构被改变,研究人员测量到相应的光学性质也发生了变化。利用光谱技术,研究人员发现在强光的照射下MnPS₃的能隙变大了10%——也就是说,在自然状态下,材料对于蓝光是不透明的;但是由于强激光导致的能隙增大,材料对于蓝光变成透明的了。更重要的是,这种调控是可逆的。持续大约10⁻¹³秒的激光脉冲结束之后,材料的光学性质会迅速回到其自然状态,而这在材料对光子有吸收的情况下是不可能做到的。弗洛开机制导致电子能隙增大(示意图)(图源:Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)

弗洛开机制导致电子能隙增大(示意图)(图源:Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)


该成果以“Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering”为题发表在Nature。

这项研究证实了利用超强激光对材料性质进行弗洛开超快调控的可行性,并且在未来的研究中,可供调控的材料性质可以从光学性质被推广到其他性质,例如电学、磁学性质。

这项研究及其背后的理论工作照亮了一个研究材料科学的新前景——如果我们想找到具备某种有趣性质的材料,无论是奇特的光学元件还是自然中很难创造出的新奇的磁体,我们不必再费尽心神去对着元素周期表苦苦思索如何合成这些材料;也许换种思路,我们可以拿一块看上去平平无奇的材料,然后仔细设计照射在上面的激光,改变激光的强度、波长、偏振方向,从而让其实现我们梦寐以求的材料功能。

论文信息

Shan, JY., Ye, M., Chu, H. et al. Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering. Nature 600, 235–239 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04051-8


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