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低維量子材料包括碳納米管、石墨烯、過渡金屬硫族化合物等，以其新奇的物理特性和全新的器件應(yīng)用而廣受關(guān)注。例如，相比于石墨的三維立體結(jié)構(gòu)而言，石墨烯以其單原子級厚度可以被視作“二維”這樣的低維材料，其中的電子結(jié)構(gòu)也會因為維度的降低而發(fā)生劇烈的變化。

光與物質(zhì)的相互作用是探究低維量子材料微觀物理機(jī)制的重要探測手段，并且其中超短、超強(qiáng)脈沖激光還可作為電子結(jié)構(gòu)及物態(tài)的有效調(diào)控手段，實現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)、新效應(yīng)。當(dāng)前學(xué)界的研究主要聚焦在材料的平衡態(tài)特性，而對其非平衡態(tài)物理及超快動力學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段。

非平衡態(tài)超快動力學(xué)和瞬時物態(tài)調(diào)控研究中，一個備受關(guān)注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢場誘導(dǎo)量子物態(tài)的變化，進(jìn)而實現(xiàn)對其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，該方案被稱為弗洛凱工程(Floquet engineering)。從材料的晶格結(jié)構(gòu)出發(fā)，電子受到空間中周期性變化晶格的影響，形成在動量空間具有周期性的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個材料呈現(xiàn)出金屬、絕緣體、半導(dǎo)體乃至超導(dǎo)體的多種性質(zhì)的可能。與之相類比，外加的周期振蕩勢場將導(dǎo)致電子在能量空間出現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的周期性復(fù)制，進(jìn)而形成弗洛凱態(tài)。進(jìn)一步地，通過電子與周期勢場的相互作用對低維量子材料的能帶結(jié)構(gòu)、對稱性及拓?fù)湫再|(zhì)的瞬時調(diào)控，可實現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)，例如，將拓?fù)淦接沟牟牧限D(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)洳牧希瑢崿F(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)等。

近日，周樹云研究組和合作者首次在半導(dǎo)體材料黑磷中實現(xiàn)了脈沖激光誘導(dǎo)的弗洛凱瞬時能帶調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)其與黑磷的贗自旋具有獨特的耦合作用及光學(xué)選擇定則。周樹云團(tuán)隊利用脈沖激光，將時間精度控制到萬億分之一秒，邁出了實現(xiàn)瞬時調(diào)控材料特性的堅實一步。在超快時間尺度(皮秒甚至飛秒)上實現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)和物理特性的測量和調(diào)控，不僅能夠拓展非平衡態(tài)物理知識的前沿，還將為未來新型、高速器件的開發(fā)和應(yīng)用奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

相關(guān)成果Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus于近日發(fā)表在國際期刊Nature雜志。

資料來源：清華大學(xué)

關(guān)鍵詞： 脈沖激光 非平衡態(tài) 清華大學(xué)