清华大学团队发现瞬时改变物态的激光“开关” 或可改写材料“基因”
【化工仪器网 项目成果】低维量子材料包括碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫族化合物等，以其新奇的物理特性和全新的器件应用而广受关注。例如，相比于石墨的三维立体结构而言，石墨烯以其单原子级厚度可以被视作“二维”这样的低维材料，其中的电子结构也会因为维度的降低而发生剧烈的变化。
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光与物质的相互作用是探究低维量子材料微观物理机制的重要探测手段，并且其中超短、超强脉冲激光还可作为电子结构及物态的有效调控手段，实现平衡态所不具有的新物态、新效应。当前学界的研究主要聚焦在材料的平衡态特性，而对其非平衡态物理及超快动力学的研究尚处于发展阶段。
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非平衡态超快动力学和瞬时物态调控研究中，一个备受关注的重要研究方向是通过周期振荡的势场诱导量子物态的变化，进而实现对其电子结构的调控，该方案被称为弗洛凯工程(Floquet engineering)。从材料的晶格结构出发，电子受到空间中周期性变化晶格的影响，形成在动量空间具有周期性的能带结构，导致整个材料呈现出金属、绝缘体、半导体乃至超导体的多种性质的可能。与之相类比，外加的周期振荡势场将导致电子在能量空间出现能带结构的周期性复制，进而形成弗洛凯态。进一步地，通过电子与周期势场的相互作用对低维量子材料的能带结构、对称性及拓扑性质的瞬时调控，可实现平衡态所不具有的新物态，例如，将拓扑平庸的材料转变为拓扑材料，实现远离平衡态的拓扑超导态等。
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近日，周树云研究组和合作者首次在半导体材料黑磷中实现了脉冲激光诱导的弗洛凯瞬时能带调控，并发现其与黑磷的赝自旋具有独特的耦合作用及光学选择定则。周树云团队利用脉冲激光，将时间精度控制到万亿分之一秒，迈出了实现瞬时调控材料特性的坚实一步。在超快时间尺度(皮秒甚至飞秒)上实现电子结构和物理特性的测量和调控，不仅能够拓展非平衡态物理知识的前沿，还将为未来新型、高速器件的开发和应用奠定重要的科学基础。
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相关成果Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus于近日发表在国际期刊Nature杂志。
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资料来源：清华大学
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