飞秒激光改写材料基因,能改写材料科学的长尾吗?

PTSD了... 古今中外众多科学工作者投身光与物质的科学研究,更新着社会对于微观世界的认知。当光与量子材料相遇,会碰撞出怎样的火花?

瞬时改变物态的激光“开关”

近日 清华大学物理系周树云教授研究组首次在半导体材料黑磷中实现弗洛凯瞬时能带调控并发现独特的光学选择定则,为调控材料性质、开发新型器件奠定了基础。相关研究成果日前发表在《自然》杂志上。

瞬时改变物态的激光“开关”

给黑磷中的电子“拍电影”

能带结构的瞬时调控究竟是如何实现的?研究组介绍, 在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。

给黑磷中的电子“拍电影”

弗洛凯态的探索与挑战

弗洛凯态的概念自20世纪初被提出后就引起了物理学家的广泛关注。近十年来弗洛凯瞬时能带和物性调控已经发展成为国际上凝聚态物理和材料科学的一个重要科学前沿。只是实际实验进展相对缓慢。很多关键问题如能否在具有电子和光电器件应用前景的半导体中实现能带结构的瞬时调控仍然有待验证。

飞秒激光:物质基因编辑的工具

出道即巅峰。 清华大学“水木学者”、 论文共同第一作者鲍昌华解释道,“而我们所做的就是利用飞秒激光来调控这些材料的DNA,从而获得我们想要得到的一些性质。” 目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。周树云团队利用脉冲激光实现了超短时间尺度上的电子结构和物理特性的测量与调控。

飞秒激光:物质基因编辑的工具

黑磷:隐藏的量子密码箱

黑磷是一种具有小带隙、高迁移率的经典半导体材料。通过精细调节中红外激发光源的光子能量, 研究组发现当光子能量与带隙接近共振时, 黑磷的电子结构从平衡态的抛物线形状演化为在带顶打开能隙的“墨西哥帽”形状, 并观察到了复制的弗洛凯边带。

黑磷:隐藏的量子密码箱

超快时间分辨角分辨光电子能谱系统

周树云团队研制出具有前沿技术指标的超快时间分辨角分辨光电子能谱系统, 用于记录黑磷原子层内电子跃迁过程。

光学选择定则:光的偏振之谜

研究组还发现, 黑磷中的弗洛凯能带工程对激发光源偏振具有强烈的选择性:只有当泵浦光偏振沿着黑磷扶手椅型方向时才会出现瞬时能隙.

光学选择定则:光的偏振之谜

未来的星河

(噪音) 想象一下未来的实验室:闪烁的光束、 旋转的高速仪器、以及科学家们眼中闪烁着的智慧火花……每一步突破都像是拨动了一颗颗星辰弦索(音符),让宇宙微观的世界因科技之光而熠熠生辉! (噪音)


长尾效应的可能性

(噪音) 长尾效应指的是一种市场分布现象, 即少数热门产品占据大部分销售额,而大量的冷门产品却占据了剩余的市场份额。(噪音) 在这里“长尾”可以引申为那些应用场景稀少、功能单一但潜力无限的小众材料需求。如果能够通过飞秒激光精准“ ”这些材料基因特征(比方说调整热稳定性、 光学性能等),或许就能解锁其原本被忽视的应用可能性(如特殊传感器、微型设备等),从而拓展材料科学的长尾市场! (噪音)