自然界給了豐富的材料供我們使用。從遠古時代人們使用的銅器鐵器，到支撐著我們今日信息社會的半導(dǎo)體，再到將來能夠極大緩解人類能源問題的超導(dǎo)體，無一不仰賴于人們對材料性質(zhì)的創(chuàng)新。但是，自然界能提供給我們的材料終究是有限的，如何從有限的材料中創(chuàng)造出無限的可能呢？
從上個世紀開始，科學家嘗試用各種外加手段去改變自然材料的電學、磁學或光學性質(zhì)。例如，把材料降到很低的溫度，我們可以制造出電阻為零的超導(dǎo)體。把一塊鐵磁體放到很強的磁場當中，磁體的南極和北極會對調(diào)。把兩片單原子層厚的石墨烯以某個角度疊在一起，石墨烯會從導(dǎo)體變成絕緣體。
這些改變材料性質(zhì)的方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，但是如果我們想在很快的時間尺度上（例如太赫茲）調(diào)控材料的性質(zhì)，這些傳統(tǒng)方式的速度就有些跟不上了。
因此人們開始探索用光控制材料特性的可能。近些年來超快激光可以產(chǎn)生持續(xù)時間越來越短的光脈沖，飛秒尺度的激光早已實現(xiàn)商用。利用這樣的超短光脈沖，人們可以在脈沖到達材料的一瞬間將其性質(zhì)改變。這樣的高速度允許我們在一秒鐘內(nèi)能夠?qū)⒉牧闲再|(zhì)翻轉(zhuǎn)成千上萬次，對于信息處理、高速計算大有裨益。
但用光控制材料性質(zhì)同樣面臨著瓶頸。其中最為嚴重的就是光對材料的加熱效應(yīng)。一個正面的例子是，激光切割技術(shù)中，強光能讓被切割的材料迅速氣化，從而留下高質(zhì)量的材料邊緣。
應(yīng)用在材料性質(zhì)的超快調(diào)控上，這種加熱卻是我們想避免的。原因有二：
一是高溫下材料可能會被損壞；
二是即使超快激光脈沖已經(jīng)離開了材料，它產(chǎn)生的熱量需要很長的時間（通常在納秒量級）才會耗散掉，這就大大拖慢了材料性質(zhì)調(diào)控的速度。
因此，人們開始思考這樣一種可能性：強光在不被材料吸收的情況下快速改變材料的性質(zhì)。
近些年來理論物理學家開始關(guān)注一種新型的弗洛開（Floquet）機制，即強光中周期性振蕩的電場與材料中的電子耦合，從而改變材料的能帶結(jié)構(gòu)（名詞解釋），亦即改變材料的性質(zhì)。
過去十年里，雖然科學家們已在金屬中實現(xiàn)了利用弗洛開機制去超快調(diào)控能帶的拓撲性質(zhì)（名詞解釋），但金屬中的電子極容易被加熱，從而限制了能照射在樣品上的激光的強度，因為過強的激光可能會造成材料的損傷。
美國加州理工學院物理系David Hsieh教授課題組的博士生單君翌與合作者提出利用絕緣體材料來實現(xiàn)其光學性質(zhì)的弗洛開調(diào)控，因為只要使用的激光光子能量小于絕緣體的能隙（名詞解釋），這些光子就不會被吸收。
研究人員選取了MnPS?半導(dǎo)體單晶來實現(xiàn)這一想法，因為其能隙很大，大約對應(yīng)于藍光的光子能量。如果用強紅外光來照射材料，就能實現(xiàn)弗洛開機制，即在不加熱材料的前提下大幅改變材料的性質(zhì)。在這個過程中，由于振蕩的強光場，電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但是電子本身不會被激發(fā)到高能量上去。這就好像巨浪中的小船：小船隨著巨浪上下起伏，但是船上的乘客都穩(wěn)穩(wěn)地站在船上。強激光照射在材料上，改變材料對于某些波長的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)
強激光照射在材料上，改變材料對于某些波長的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)
這樣一來，由于電子能帶結(jié)構(gòu)被改變，研究人員測量到相應(yīng)的光學性質(zhì)也發(fā)生了變化。利用光譜技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在強光的照射下MnPS?的能隙變大了10%——也就是說，在自然狀態(tài)下，材料對于藍光是不透明的；但是由于強激光導(dǎo)致的能隙增大，材料對于藍光變成透明的了。更重要的是，這種調(diào)控是可逆的。持續(xù)大約10?13秒的激光脈沖結(jié)束之后，材料的光學性質(zhì)會迅速回到其自然狀態(tài)，而這在材料對光子有吸收的情況下是不可能做到的。弗洛開機制導(dǎo)致電子能隙增大（示意圖）(圖源：Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)
弗洛開機制導(dǎo)致電子能隙增大（示意圖）(圖源：Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)
該成果以“Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering”為題發(fā)表在Nature。
這項研究證實了利用超強激光對材料性質(zhì)進行弗洛開超快調(diào)控的可行性，并且在未來的研究中，可供調(diào)控的材料性質(zhì)可以從光學性質(zhì)被推廣到其他性質(zhì)，例如電學、磁學性質(zhì)。
這項研究及其背后的理論工作照亮了一個研究材料科學的新前景——如果我們想找到具備某種有趣性質(zhì)的材料，無論是奇特的光學元件還是自然中很難創(chuàng)造出的新奇的磁體，我們不必再費盡心神去對著元素周期表苦苦思索如何合成這些材料；也許換種思路，我們可以拿一塊看上去平平無奇的材料，然后仔細設(shè)計照射在上面的激光，改變激光的強度、波長、偏振方向，從而讓其實現(xiàn)我們夢寐以求的材料功能。
論文信息
Shan, JY., Ye, M., Chu, H. et al. Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering. Nature 600, 235–239 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04051-8
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