研究人员以飞秒激光改写材料“基因”

来源：中国科学报

本报讯（记者陈彬）清华大学物理系教授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。相关论文近日发表于《自然》。

当前学界的研究主要聚焦于材料的平衡态特性，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，将时间精度控制到万亿分之一秒，向实现瞬时调控材料特性迈出了探索性一步。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与调控，不仅能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。

周树云研究组多年来致力于低维量子材料的电子能谱和非平衡态超快动力学研究，尤其是弗洛凯能带及物态调控的实验研究。在研究其中的弗洛凯瞬时能带调控时，研究组使用了类似“给电子拍电影”的方法——在飞秒尺度上记录其在光的激发下，从光到来之前、刚好到达时和光离开以后整个动态过程中的关键时刻，以观察它是怎样演化的。在此基础上，他们通过系统性探究该瞬时能隙对时间、光强和电子掺杂等变量的响应等，确认了所观测到的瞬时能隙是由弗洛凯能带工程导致的。

更有意思的是，研究组发现黑磷中的弗洛凯能带工程对激发光源的偏振具有强烈的选择性——只有当泵浦光偏振沿着黑磷的扶手椅型方向时，才会出现瞬时能隙，揭示出弗洛凯能带工程调控具有特定的光学选择定则。结合理论分析，研究组指出这一奇特的偏振选择效应来源于黑磷的赝自旋自由度（黑磷元胞中含有两个子晶格，对应的两能级系统可类比自旋）。

这些研究结果为弗洛凯能带调控提供了重要思路，而飞秒激光调控的迅速“开关”特点也为进一步探索拓扑物态、关联物态（磁性、超导等）的瞬时调控奠定了重要基础。这一独特的偏振选择效应未来有望应用于光学偏振相关的光电器件中。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05610-3

《中国科学报》 (2023-02-10 第1版要闻)