他們能夠通過在一個(gè)具有納米級(jí)電子密度調(diào)制的二維晶體上使用單鏡頭光譜技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)查看這種轉(zhuǎn)變。

“通過這項(xiàng)工作，我們展示了由電子調(diào)制晶體中的超短激光脈沖誘導(dǎo)的隱藏量子相的誕生和演變，”Frank Gao說，他是關(guān)于這項(xiàng)工作的論文的共同主要作者，目前是UT Austin的博士后。

“通常情況下，將激光照射在材料上等同于加熱它們，但在這種情況下并非如此，”共同主要作者、目前麻省理工學(xué)院化學(xué)系的研究生Zhuquan Zhang補(bǔ)充說?！霸谶@里，對(duì)晶體的照射重新安排了電子秩序，創(chuàng)造了一個(gè)不同于高溫相的全新相?！?/p>

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關(guān)于這項(xiàng)研究的論文于7月22日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。該項(xiàng)目由麻省理工學(xué)院Haslam和Dewey化學(xué)教授Keith A. Nelson和UT-Austin的物理學(xué)副教授Edoardo Baldini共同協(xié)調(diào)。

Nelson說：“了解這種可轉(zhuǎn)移量子相的起源對(duì)于解決非平衡熱力學(xué)中長(zhǎng)期存在的基本問題非常重要?！?/p>

Baldini補(bǔ)充說：“這一結(jié)果的關(guān)鍵是開發(fā)了一種最先進(jìn)的激光方法，它能夠以100飛秒的時(shí)間分辨率將量子材料的不可逆過程‘拍成電影’?！?/p>

這種材料，二硫化鉭，由共價(jià)結(jié)合的鉭和硫原子層組成，松散地堆疊在一起。在低于臨界溫度時(shí)，該材料的原子和電子會(huì)形成納米級(jí)的“大衛(wèi)之星”結(jié)構(gòu)--一種被稱為 “電荷密度波”的非常規(guī)電子分布。

這種新相的形成使該材料成為一個(gè)絕緣體，但照亮一個(gè)單一的強(qiáng)光脈沖將該材料推到一個(gè)可轉(zhuǎn)移的隱藏金屬中。Baldini說：“這是一個(gè)被凍結(jié)在時(shí)間中的瞬時(shí)量子狀態(tài)。人們之前已經(jīng)觀察到了這種光誘導(dǎo)的隱藏相，但其產(chǎn)生背后的超快量子過程仍然是未知的。”

Nelson補(bǔ)充說：“關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是，觀察從一個(gè)電子秩序到一個(gè)可能無(wú)限期存在的超快轉(zhuǎn)變，用常規(guī)的時(shí)間分辨技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。”

研究人員開發(fā)了一種獨(dú)特的方法，即把一個(gè)單一的探針激光脈沖分成幾百個(gè)不同的探針脈沖，這些脈沖在由一個(gè)單獨(dú)的超快激發(fā)脈沖啟動(dòng)開關(guān)之前和之后的不同時(shí)間都到達(dá)了樣品。通過測(cè)量這些探針脈沖在從樣品中反射或通過樣品后的變化，然后將測(cè)量結(jié)果像單個(gè)幀一樣串起來(lái)，它們可以構(gòu)建“一部電影”，從微觀上了解轉(zhuǎn)化發(fā)生的機(jī)制。

通過在單次測(cè)量中捕捉這種復(fù)雜相變的動(dòng)態(tài)，作者證明了電荷密度波的融化和重新排序?qū)е铝穗[藏狀態(tài)的形成。哈佛大學(xué)量子研究所的博士后孫志遠(yuǎn)的理論計(jì)算證實(shí)了這種解釋。

雖然這項(xiàng)研究是針對(duì)一種特定的材料進(jìn)行的，但研究人員表示，同樣的方法現(xiàn)在可以用來(lái)研究量子材料中的其他奇異現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)也可能有助于開發(fā)具有按需光反應(yīng)的光電設(shè)備。