科学家首次捕捉到二维晶体中神秘的隐藏量子相

已故麻省理工学院教授哈罗德-埃杰顿（Harold"Doc"Edgerton）在20世纪60年代开发了高速频闪摄影技术，使我们能够直观地看到对眼睛来说太快的事件--一滴水滴打在一池牛奶上或一颗子弹穿透一个shoppingmode 苹果。现在，麻省理工学院和得克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的科学家们通过使用一套先进的光谱工具，首次捕捉到了隐藏在平衡宇宙中的光诱导的亚稳相的快照。

“通过这项工作，我们展示了由电子调制晶体中的超短激光脉冲诱导的隐藏量子相的诞生和演变，”Frank Gao说，他是关于这项工作的论文的共同主要作者，目前是UT Austin的博士后。

“通常情况下，将激光照射在材料上等同于加热它们，但在这种情况下并非如此，”共同主要作者、目前麻省理工学院化学系的研究生Zhuquan Zhang补充说。“在这里，对晶体的照射重新安排了电子秩序，创造了一个不同于高温相的全新相。”

关于这项研究的论文于7月22日发表在《科学进展》杂志上。该项目由麻省理工学院Haslam和Dewey化学教授Keith A. Nelson和UT-Austin的物理学副教授Edoardo Baldini共同协调。

Nelson说：“了解这种可转移量子相的起源对于解决非平衡热力学中长期存在的基本问题非常重要。”

Baldini补充说：“这一结果的关键是开发了一种最先进的激光方法，它能够以100飞秒的时间分辨率将量子材料的不可逆过程‘拍成电影’。”

这种材料，二硫化钽，由共价结合的钽和硫原子层组成，松散地堆叠在一起。在低于临界温度时，该材料的原子和电子会形成纳米级的“大卫之星”结构--一种被称为 “电荷密度波”的非常规电子分布。

这种新相的形成使该材料成为一个绝缘体，但照亮一个单一的强光脉冲将该材料推到一个可转移的隐藏金属中。Baldini说：“这是一个被冻结在时间中的瞬时量子状态。人们之前已经观察到了这种光诱导的隐藏相，但其产生背后的超快量子过程仍然是未知的。”

Nelson补充说：“关键的挑战之一是，观察从一个电子秩序到一个可能无限期存在的超快转变，用常规的时间分辨技术是不现实的。”

研究人员开发了一种独特的方法，即把一个单一的探针激光脉冲分成几百个不同的探针脉冲，这些脉冲在由一个单独的超快激发脉冲启动开关之前和之后的不同时间都到达了样品。通过测量这些探针脉冲在从样品中反射或通过样品后的变化，然后将测量结果像单个帧一样串起来，它们可以构建“一部电影”，从微观上了解转化发生的机制。

通过在单次测量中捕捉这种复杂相变的动态，作者证明了电荷密度波的融化和重新排序导致了隐藏状态的形成。哈佛大学量子研究所的博士后孙志远的理论计算证实了这种解释。

虽然这项研究是针对一种特定的材料进行的，但研究人员表示，同样的方法现在可以用来研究量子材料中的其他奇异现象。这一发现也可能有助于开发具有按需光反应的光电设备。