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清华大学物理系周树云及合作者发表量子材料光诱导新奇物理效应综述文章
2021-11-15 10:01
清华大学
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  在二维材料和拓扑材料等量子材料的研究中,光和物质的相互作用起着重要的作用。它不仅是研究材料处于平衡态时的物理特性的重要探测手段,更为重要的是,脉冲激光激发还可以作为一种物态调控新手段。利用光激发可诱导或“衍生”出平衡态所不具有的新奇物态,进而在超快(皮秒甚至飞秒)时间尺度上实现量子材料的物性调控。近期,清华大学物理系周树云教授及合作者受邀撰写量子材料中光诱导的新奇物理效应的综述文章,评述该领域的最新研究进展及实验的挑战,并展望该研究领域的重要发展机遇。

图1:光和量子材料相互作用导致的新奇物理效应。(a)利用光作为周期性电场的特性,可利用弗洛凯电子态对其电子结构进行调控(弗洛凯工程)并诱导出瞬时拓扑物态。(b)光对材料能量景貌的扰动导致瞬态相变,例如,光致超导和电荷密度波等。(c)利用光的偏振特性来操控量子材料中的自旋、赝自旋和能谷等量子自由度,例如,利用圆偏振光进行不通过能谷的选择性激发。(d)光和材料的拓扑几何相位(贝里曲率)的相互作用导致独特的非线性光学响应。

  近十年来,二维材料和拓扑材料的研究不仅得到了快速的发展,而且对其物理特性的研究及物态的调控逐渐从平衡态(稳态)拓展到非平衡态(瞬态)。这个领域的快速发展一方面得益于高质量二维材料及异质结的制备、拓扑新材料的发现及对光与物质相互作用物理机制的理解,另一方面也与基于泵浦-探测手段的多种超快时间分辨实验技术的发展密不可分。尤其是超快时间分辨角分辨光电子能谱(TrARPES)、超快时间分辨X射线衍射(TrXRD)、超快电子衍射(UED)、超快光学和超快时间分辨输运等前沿实验技术的发展使得瞬态电子结构、晶格结构和物性的探测成为可能,从而为在超快时间尺度上捕捉非平衡态动力学及实现瞬时物态调控提供了前所未有的机会。

  光和物质的相互作用可在二维材料和拓扑材料中诱导出诸多新奇物理效应(见图1)。利用光具有的周期性电场的特点,通过光与物质的相互作用,人们可以瞬态调控其电子结构(简称弗洛凯工程,Floquet engineering),进而改变其拓扑特性;或者在原本非拓扑的材料中诱导出瞬态拓扑态(图1a)。通过光与量子材料中多种准粒子自由度的耦合,进而改变其能量景貌,可以诱导出瞬态相变,例如光诱导的超导和电荷密度波等新奇物态(图1b)。光和物质的相互作用还可以用来探测和操控材料中的赝自旋和谷等各种量子自由度(图1c),为未来电子器件的发展提供新的思路。此外,光和物质的相互作用也成为了探测材料拓扑性质的强有力方法,其与材料拓扑相位的耦合可产生新奇的光学线性和非线性响应(图1d)。

  近年来,量子材料的光致新奇物理效应的研究得到快速的发展,但是与大量的理论预言相比,当前量子材料的非平衡态物理和瞬态调控的实验研究仍处于关键发展阶段。一方面,实验研究仍然面临巨大的挑战,但是同时这个领域也蕴含着取得重大实验突破的机遇。把量子材料的研究拓展到非平衡态不仅具有重要的科学意义,同时也拥有广阔的应用前景。在皮秒甚至飞秒的时间尺度上实现量子材料的物态调控,对于未来新一代高速、新机制器件的研发意义重大。

  该工作以“二维材料和拓扑材料光诱导衍生现象”(Light- induced emergent phenomena in2D materials and topological materials)为题于11月9日在线发表在《自然评论:物理》(Nature Reviews Physics)。清华大学物理系博士研究生鲍昌华为文章第一作者,清华大学物理系周树云教授、北京大学量子科学材料中心孙栋教授和北京航空航天大学材料科学与工程学院汤沛哲教授为文章的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京未来芯片技术高精尖创新中心和北京自然科学基金的支持。

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