点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:清华大学团队推出最新研究成果:飞秒激光或将改写材料“基因”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

清华大学团队推出最新研究成果:飞秒激光或将改写材料“基因”

来源:光明网-《光明日报》2023-02-10 03:10

  【科技前沿】

  光明日报记者 邓 晖 光明日报通讯员 常潇予

  古今中外,众多科学工作者投身光与物质的科学研究,更新着社会对于微观世界的认知。当光与量子材料相遇,会碰撞出怎样的火花?

  近日,清华大学物理系周树云教授研究组首次在半导体材料黑磷中实现弗洛凯瞬时能带调控并发现独特的光学选择定则,为调控材料性质、开发新型器件奠定了基础。相关研究成果日前发表在《自然》杂志上。

  瞬时改变物态的激光“开关”

  光与物质的相互作用是探究低维量子材料微观物理机制的重要探测手段,其中超短、超强脉冲激光还可作为电子结构及物态的有效调控手段,实现平衡态所不具有的新物态、新效应。

  研究组介绍,低维量子材料包括碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫族化合物等,以其新奇的物理特性和全新的器件应用受到广受关注。例如,相比于石墨的三维立体结构而言,石墨烯以其单原子级厚度可以被视作“二维”这样的低维材料,其中的电子结构也会因为维度的降低而发生剧烈的变化。

  “我们研究的电子能带结构可以通俗地理解成这些材料的DNA,它决定了材料的各种属性。”清华大学“水木学者”、论文共同第一作者鲍昌华解释道,“而我们所做的就是利用飞秒激光来调控这些材料的DNA,从而获得我们想要得到的一些性质。”

  当前学界的研究主要聚焦在材料的平衡态特性,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,迈出了实现瞬时调控材料特性的坚实一步。

  据悉,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和调控,不仅能够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。

  给黑磷中的电子“拍电影”

  能带结构的瞬时调控究竟是如何实现的?

  研究组介绍,在非平衡态超快动力学和瞬时物态调控研究中,一个备受关注的重要研究方向是通过周期振荡的势场诱导量子物态的变化,进而实现对其电子结构的调控,该方案被称为弗洛凯工程。

  弗洛凯态的概念自20世纪初被提出后就引起了物理学家的广泛关注,并被应用于凝聚态物理、冷原子物理和光晶格等领域。近十年来,弗洛凯瞬时能带和物性调控已经发展成为国际上凝聚态物理和材料科学的一个重要科学前沿。然而,尽管理论方面涌现出丰富的预言,与之形成鲜明对比的是凝聚态体系中的实验进展非常少。很多关键的科学问题,例如能否在具有电子和光电器件应用前景的半导体中实现能带结构的瞬时调控,仍然有待实验的证实。

  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的研究,尤其是弗洛凯能带及物态调控的实验研究。由于弗洛凯调控要求激发光源具有低光子能量、强峰值电场等极端实验条件,研究组针对领域难点投入了大量精力,攻克了中红外强场脉冲激发光源以及与角分辨光电子能谱仪结合方面的困难,研制出具有前沿技术指标的超快时间分辨角分辨光电子能谱系统。

  在材料体系方面,研究组巧妙地选取了黑磷这个具有小带隙、高迁移率的经典半导体材料。通过精细调节中红外激发光源的光子能量,研究组发现当光子能量与带隙接近共振时,黑磷的电子结构从平衡态的抛物线形状演化为在带顶打开能隙的“墨西哥帽”形状,并观察到了复制的弗洛凯边带。

  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:在飞秒尺度上去记录它在光的激发下,从光到来之前、刚好到达时以及光离开以后整个动态过程中的关键时刻,从而观察它是怎样演化的。在此基础上,他们通过系统性地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所导致。

  研究组还发现,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。

  研究者认为,这些研究结果不仅为弗洛凯能带调控提供了重要的思路,同时,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。此外,这一独特的偏振选择效应未来也有望应用于光学偏振相关的光电器件应用中。

  《光明日报》( 2023年02月10日 08版)

[ 责编:邱晓琴 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 梦想,飞越了大山

  • 大阪世博会中国国家馆日活动成功举行

独家策划

推荐阅读
防晒,究竟该如何掌握分寸,才能在抵御伤害与拥抱健康之间找到平衡点?
2025-07-11 09:58
生命只有一次,心脏健康不容忽视。唯有提高对心梗症状的警觉性,掌握正确的急救方法,才能为生命筑起一道坚实的“心”防线。
2025-07-11 09:58
晒后背是一种传统的养生方法,符合中医“冬病夏治”的理论,其核心在于借助盛夏充沛的自然阳气,通过阳光照射背部,来提升人体自身阳气。
2025-07-11 09:58
截至7月10日,我国“北气南下”能源大通道累计输气量突破1000亿立方米,安全平稳运行超2000天,标志着这条纵贯南北的能源大动脉在保障国家能源安全、推动绿色转型方面取得重大进展。
2025-07-11 04:55
从自然资源部新一轮找矿突破战略行动办公室了解到,今年上半年,全国新发现矿产地38处,同比增长31%;新发现矿产地中,大中型矿产地25处。
2025-07-11 04:10
时下,智能手机已成为人们获取信息、社交娱乐的重要工具。多学科专家指出,当我们刷手机出现注意力极度涣散、缺乏独立思考能力、情绪化反应严重、深度学习能力下降、空虚感增加等症状时,就表明我们的大脑正在被“腐蚀”。所谓的“脑腐”,即因长期暴露于碎片化信息而引发的认知衰退与脑功能损伤。
2025-07-11 04:10
由于肉眼很难发现水污染的情况,洪水之后饮水需要特别注意,避免直接饮用自来水、山泉水、河水、湖水等。肖丹提醒,如果不适症状较为严重,出现持续高热、剧烈呕吐、严重腹泻、脱水、意识障碍等,或皮肤干燥、眼窝凹陷、少尿等情况,应及时就医。
2025-07-10 09:34
国家自然科学基金委员会近日发布消息,自然科学基金委制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。自然科学基金委作为我国资助基础研究的主渠道,制定了一系列创新举措。
2025-07-10 09:33
嫦娥六号月球样品的相关研究成果,引起了国际学术界的高度关注。这1935.3克宝贵的月壤,使得月球样品研究进入“嫦娥时代”,开启了人类认识月球的新纪元,也为中国月球研究走向世界前列奠定了基础。 一年来,中国科学家们已经利用嫦娥六号月球样品取得许多科学突破。
2025-07-10 09:32
2024年嫦娥六号任务首次从南极-艾特肯盆地内部采回月球样品,为揭示该区域物质成因提供了直接证据。综合元素和矿物组成分析,南极-艾特肯盆地镁环物质主要为斜长石(63%~67%)和低钙辉石(25%~27%)组成的亚铁苏长岩。
2025-07-10 09:32
7月9日,在北京航天城,神舟十九号航天员蔡旭哲(中)、宋令东(右)、王浩泽在记者见面会上敬礼致意。 在神舟十九号乘组中,航天员王浩泽也是一位90后,更成为首位进驻空间站的女航天飞行工程师。
2025-07-10 09:30
随着科技创新与产业创新深度融合,人工智能技术助力建材行业向更智能、更绿色、更高端方向变革。“通过数字化转型,建材企业可基本实现研发设计数字化、生产运营一体化、客户服务敏捷化,提升决策效率、协同能力和服务水平,快速提升生产力和核心竞争力。
2025-07-09 09:40
记者8日从湖南省自然资源厅获悉,通过创新地质找矿理论,经过长期勘探,湖南省郴州市临武县鸡脚山矿区已探获超大型蚀变花岗岩型锂矿床,共提交锂矿石量4.9亿吨,氧化锂资源量131万吨。
2025-07-09 09:39
根据国家卫生健康委8日晚间发布的通知,今后“颈深淋巴管/结—静脉吻合术”将不得应用于阿尔茨海默病治疗。“颈深淋巴管/结—静脉吻合术”是将颈部深层淋巴管或淋巴结与邻近的静脉进行吻合的手术,近年来部分医疗机构将其用于治疗阿尔茨海默病,引发争议。
2025-07-09 09:39
国家发展改革委、工业和信息化部、国家能源局日前发布《关于开展零碳园区建设的通知》。支持企业对标标杆水平和先进水平,实施节能降碳改造和用能设备更新,鼓励企业建设极致能效工厂、零碳工厂。
2025-07-09 09:37
近日,中国科学院近代物理研究所科研人员依托兰州重离子加速器冷却储存环,精确测量了极缺中子原子核硅-22的质量,实验发现硅-22的质子数14是一个新幻数。
2025-07-09 09:35
国家自然科学基金委员会7日发布消息,自然科学基金委近日制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 09:20
近日,由农业农村部南京农业机械化研究所联合有关单位研制的全自动水稻覆膜插秧技术装备在江苏省靖江市投入使用,开启了我国水稻覆膜插秧新模式。
2025-07-08 09:11
日前,全球领先的720V高压固态钠盐电池,在位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗的建亨奥能科技有限公司正式量产,标志着中国成为全球第三个实现固态钠盐电池商用量产的国家。
2025-07-08 09:10
从国家自然科学基金委员会获悉,该委日前制定了重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 05:05
加载更多