清華新聞網(wǎng)11月12日電 在二維材料和拓?fù)洳牧系攘孔硬牧系难芯恐?，光和物質(zhì)的相互作用起著重要的作用。它不僅是研究材料處于平衡態(tài)時(shí)的物理特性的重要探測(cè)手段，更為重要的是，脈沖激光激發(fā)還可以作為一種物態(tài)調(diào)控新手段。利用光激發(fā)可誘導(dǎo)或“衍生”出平衡態(tài)所不具有的新奇物態(tài)，進(jìn)而在超快（皮秒甚至飛秒）時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)量子材料的物性調(diào)控。近期，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授及合作者受邀撰寫(xiě)量子材料中光誘導(dǎo)的新奇物理效應(yīng)的綜述文章，評(píng)述該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展及實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)，并展望該研究領(lǐng)域的重要發(fā)展機(jī)遇。
圖1：光和量子材料相互作用導(dǎo)致的新奇物理效應(yīng)。(a)利用光作為周期性電場(chǎng)的特性，可利用弗洛凱電子態(tài)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控（弗洛凱工程）并誘導(dǎo)出瞬時(shí)拓?fù)湮飸B(tài)。(b)光對(duì)材料能量景貌的擾動(dòng)導(dǎo)致瞬態(tài)相變，例如，光致超導(dǎo)和電荷密度波等。(c)利用光的偏振特性來(lái)操控量子材料中的自旋、贗自旋和能谷等量子自由度，例如，利用圓偏振光進(jìn)行不通過(guò)能谷的選擇性激發(fā)。(d)光和材料的拓?fù)鋷缀蜗辔唬ㄘ惱锴剩┑南嗷プ饔脤?dǎo)致獨(dú)特的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)。
近十年來(lái)，二維材料和拓?fù)洳牧系难芯坎粌H得到了快速的發(fā)展，而且對(duì)其物理特性的研究及物態(tài)的調(diào)控逐漸從平衡態(tài)（穩(wěn)態(tài)）拓展到非平衡態(tài)（瞬態(tài)）。這個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展一方面得益于高質(zhì)量二維材料及異質(zhì)結(jié)的制備、拓?fù)湫虏牧系陌l(fā)現(xiàn)及對(duì)光與物質(zhì)相互作用物理機(jī)制的理解，另一方面也與基于泵浦-探測(cè)手段的多種超快時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展密不可分。尤其是超快時(shí)間分辨角分辨光電子能譜(TrARPES)、超快時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射(TrXRD)、超快電子衍射(UED)、超快光學(xué)和超快時(shí)間分辨輸運(yùn)等前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展使得瞬態(tài)電子結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)和物性的探測(cè)成為可能，從而為在超快時(shí)間尺度上捕捉非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)及實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)物態(tài)調(diào)控提供了前所未有的機(jī)會(huì)。
光和物質(zhì)的相互作用可在二維材料和拓?fù)洳牧现姓T導(dǎo)出諸多新奇物理效應(yīng)（見(jiàn)圖1）。利用光具有的周期性電場(chǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用，人們可以瞬態(tài)調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)弗洛凱工程，F(xiàn)loquet engineering），進(jìn)而改變其拓?fù)涮匦?；或者在原本非拓?fù)涞牟牧现姓T導(dǎo)出瞬態(tài)拓?fù)鋺B(tài)（圖1a）。通過(guò)光與量子材料中多種準(zhǔn)粒子自由度的耦合，進(jìn)而改變其能量景貌，可以誘導(dǎo)出瞬態(tài)相變，例如光誘導(dǎo)的超導(dǎo)和電荷密度波等新奇物態(tài)（圖1b）。光和物質(zhì)的相互作用還可以用來(lái)探測(cè)和操控材料中的贗自旋和谷等各種量子自由度（圖1c），為未來(lái)電子器件的發(fā)展提供新的思路。此外，光和物質(zhì)的相互作用也成為了探測(cè)材料拓?fù)湫再|(zhì)的強(qiáng)有力方法，其與材料拓?fù)湎辔坏鸟詈峡僧a(chǎn)生新奇的光學(xué)線(xiàn)性和非線(xiàn)性響應(yīng)（圖1d）。
近年來(lái)，量子材料的光致新奇物理效應(yīng)的研究得到快速的發(fā)展，但是與大量的理論預(yù)言相比，當(dāng)前量子材料的非平衡態(tài)物理和瞬態(tài)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究仍處于關(guān)鍵發(fā)展階段。一方面，實(shí)驗(yàn)研究仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，但是同時(shí)這個(gè)領(lǐng)域也蘊(yùn)含著取得重大實(shí)驗(yàn)突破的機(jī)遇。把量子材料的研究拓展到非平衡態(tài)不僅具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)也擁有廣闊的應(yīng)用前景。在皮秒甚至飛秒的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)量子材料的物態(tài)調(diào)控，對(duì)于未來(lái)新一代高速、新機(jī)制器件的研發(fā)意義重大。
該工作以“二維材料和拓?fù)洳牧瞎庹T導(dǎo)衍生現(xiàn)象”(Light- induced emergent phenomena in2D materials and topological materials)為題于11月9日在線(xiàn)發(fā)表在《自然評(píng)論：物理》（Nature Reviews Physics）。清華大學(xué)物理系博士研究生鮑昌華為文章第一作者，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授、北京大學(xué)量子科學(xué)材料中心孫棟教授和北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院湯沛哲教授為文章的共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心和北京自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s42254-021-00388-1
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：李晨暉
