科学家发现通往量子材料的新捷径

这一想法或许听起来像幻想，但它却是被称为弗洛凯工程的新兴物理学领域的核心。该领域的研究人员致力于研究周期性影响（如精心调节的光）如何暂时改变材料内部电子的行为方式。当这种情况发生时，像半导体这样的常见物质会短暂呈现出特殊性质，包括通常与超导体相关的行为。尽管弗洛凯物理学背后的基本理论可追溯至2009年Oka和Aoki的一项提议，但实验证明一直颇具难度。过去十年中，仅有少数实验成功展示了清晰的弗洛凯效应。一个主要限制是需要极强的光，这些高能量水平在仅产生适度变化的同时，已接近破坏材料。研究人员现已发现一种无需依赖此类极端光条件即可实现弗洛凯效应的新方法。由冲绳科学技术大学院大学（OIST）和斯坦福大学领导的全球研究团队表明，激子能比单独的光更高效地驱动这些效应，研究结果发表在《自然·物理学》上。OIST飞秒光谱单元的Keshav Dani教授表示：“由于强库仑相互作用，尤其是在二维材料中，激子与材料的耦合比光子强得多，因此它们能在避免光带来的挑战的同时，实现强烈的弗洛凯效应。借此，我们为弗洛凯工程所承诺的未来新型量子器件和材料开辟了一条新的潜在途径。”这种方法为控制量子材料提供了新途径，同时降低了损伤风险。弗洛凯工程长期以来被视为通过普通半导体制造定制量子材料的可能方法，其原理基于常见物理现象：当系统受到周期性影响时，响应可能比周期性本身更复杂，就像秋千因定时推动而荡得更高。在量子材料中，原子有序排列形成晶格，这种空间周期性将电子限制在特定能级（能带）。固定频率的光与晶体相互作用时，会引入随时间变化的第二种周期性影响，使光子与电子有节奏地相互作用，导致能带移动。通过调节光的频率和强度，电子可暂时占据新的混合能带，改变材料整体性质，光关闭后材料恢复原状，但相互作用期间可赋予材料新量子行为。OIST博士生Xing Zhu指出：“到目前为止，弗洛凯工程一直与光驱动同义。但光与物质耦合较弱，需极高频率（通常飞秒级）才能实现能带混合，高能量易使材料汽化且效应短暂，而激子弗洛凯工程所需强度低得多。”这一挑战减缓了实际应用进程。激子形成于半导体中：电子吸收能量从价带基态跃迁至导带高能态，留下带正电空穴，电子和空穴作为短寿命准粒子连接，直至电子回落发光。由于激子源于材料自身电子，与周围结构相互作用比外部光强，还携带初始激发产生的振荡能量，以可调频率影响附近电子。罗马第二大学的Gianluca Stefanucci教授解释：“激子携带自振荡能量，以可调频率影响周围电子，且产生足够密集激子群所需光显著更少，这正是我们观察到的。”这一进展基于OIST多年激子研究及TR-ARPES（时间和角度分辨光电子能谱）系统开发。团队研究原子级薄半导体，先施加强光驱动观察电子能带变化确认弗洛凯行为，再将光强降低一个多数量级，200飞秒后测量电子响应以分离激子贡献。OIST毕业生Vivek Pareek博士称：“用光观察弗洛凯复制能带需数十小时数据采集，而激子弗洛凯仅需约两小时，且效应更强。”结果表明，弗洛凯效应不仅限于光技术，也可通过光子以外的玻色子产生。激子弗洛凯工程比光学方法能耗低，打开更广泛工具之门。原则上，声子（声振动）、等离激元（自由电子）、磁振子（磁场）等激发也可实现类似效应，共同推动弗洛凯工程接近实际应用及新型量子材料和器件的可靠创造。研究共同第一作者David Bacon博士总结：“我们为应用弗洛凯物理学打开了面向各种玻色子的大门，考虑到其在创造和操控量子材料方面的潜力，这非常令人兴奋。我们尚无具体方法，但已拥有迈出实际第一步所需的光谱特征。”