清华团队探微揭秘：飞秒激光或可改写材料“基因”

记者8日从清华大学获悉，该校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、开发新型器件奠定坚实基础。相关研究成果发表在最新一期的《自然》上。

弗洛凯态的概念自20世纪初被提出，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，其中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。

据了解，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，迈出实现瞬时调控材料特性的坚实一步。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。

在材料体系方面，该研究组巧妙地选取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，研究人员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，并观察到复制的弗洛凯边带。

“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，”该工作的主要参与者之一、清华大学“水木学者”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。”