超快激光脉冲揭示材料的隐藏物态

如何在不接触材料的情况下，瞬间将其从绝缘体转变为导体？美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II（NSLS-II）——一个美国能源部科学办公室用户设施——的科学家们利用超快激光脉冲和强X射线，开发出一种生成"隐藏"相并理解其机理的方法。

这项研究不仅揭示了一种隐藏的物态及其基本相互作用，还为未来电子学和量子技术中控制材料的新途径指明了方向。相关成果已发表在《物理评论X》上。

研究的核心是一类有趣的量子材料——磁阻锰氧化物。在适当条件下，它们的性质和行为可随外部刺激完全改变。本研究中，团队使用持续100飞秒（一千亿亿分之一秒）的短激光脉冲，将材料从电流无法通过的绝缘态"切换"为导电态。

"切换机制非常快，比我们今天拥有的任何电子器件都快得多，"NSLS-II软非弹性X射线散射（SIX）线站的光束线科学家Jonathan Pelliciari说，"不过我们不使用电极或电流，只用光。"

虽然此前的研究已表明照射某些材料可触发此类转变，但材料内部究竟发生了什么、为何发生，仍然 largely 不清楚。为回答这些问题，团队在SIX线站采用了两种互补的X射线技术：共振非弹性X射线散射（RIXS）和X射线吸收光谱（XAS）。

激光脉冲触发变化，X射线则在微观层面探测材料，揭示其电子结构如何演化。结合原位输运测量，这些工具表明：光将材料驱动到一种此前无法达到的非热导电态，该态不同于传统加热产生的金属相。由于这种相无法通过常规热过程达到，研究者将其称为"隐藏"相。

迈入量子领域

更有趣的是，光诱导态不会立即消失。相反，它在激光脉冲消失后仍持续存在，表明其具有更根本的热力学稳定性。一旦切换材料，该状态会保持一段时间，直到施加另一种外部刺激才会复原。这种切换并保持新状态的能力，暗示了在数据存储或计算中的潜在应用——信息可编码在不同的物理态中。

这项研究还与不断发展的量子信息科学领域相连。量子信息科学旨在利用奇异的量子性质，通过开发量子比特（qubit）——可按需在两种不同物理态间切换的量子系统——来制造更快、更强大的计算机和设备。

"相比基于热循环或静态电磁场的传统方法，光提供了一种更直接、更具选择性的方式来切换量子材料，"非弹性X射线散射（IXS）线站的光束线科学家、该论文第一作者Shiyu Fan说。

"激光不是简单地加热样品，而是将系统驱动到一种独特的非热态。在保持材料关联量子特性的同时控制其相的能力，对未来量子器件设计可能非常重要。"

为何光具有优势

光还具有实际优势。目前用于改变材料状态的传统热方法会破坏量子行为——冲走脆弱的关联态，导致器件可靠性降低。相比之下，超快激光脉冲可在不单纯依赖体加热的情况下触发相变，提供了一条更具选择性的材料控制途径。

虽然当前系统仍需加热才能将材料复位到初始态，但未来工作可能探索用不同波长的光来逆转这一过程，使研究者更接近完全可控的光驱动器件。

NSLS-II能力的扩展

除科学发现外，该实验还展示了跨多条光束线的先进激光系统的整合能力，这一能力正在NSLS-II不断发展。本研究使用的便携式超快激光可在不同实验站间共享，支持广泛的时间分辨测量。这些能力使研究者不仅能研究材料的结构，还能研究电子和原子在超快转变过程中如何运动和相互作用。

该方法也与其他主要设施（如自由电子激光器）的研究形成互补——后者擅长捕捉极短暂的态，而NSLS-II的科学家则可聚焦于寿命更长的相，并以极高的能量分辨率提供材料行为的精细图像。

随着研究者继续探索光如何揭示和控制物质的隐藏相，通往新型电子学、量子器件和更快计算的新路径正在涌现。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1103/24wn-q427