自然界給了豐富的材料供我們使用。從遠(yuǎn)古時(shí)代人們使用的銅器鐵器，到支撐著我們今日信息社會(huì)的半導(dǎo)體，再到將來(lái)能夠極大緩解人類(lèi)能源問(wèn)題的超導(dǎo)體，無(wú)一不仰賴(lài)于人們對(duì)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(wú)限的可能呢？

從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，科學(xué)家嘗試用各種外加手段去改變自然材料的電學(xué)、磁學(xué)或光學(xué)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(qiáng)的磁場(chǎng)當(dāng)中，磁體的南極和北極會(huì)對(duì)調(diào)。把兩片單原子層厚的石墨烯以某個(gè)角度疊在一起，石墨烯會(huì)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(shí)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(kāi)始探索用光控制材料特性的可能。近些年來(lái)超快激光可以產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間越來(lái)越短的光脈沖，飛秒尺度的激光早已實(shí)現(xiàn)商用。利用這樣的超短光脈沖，人們可以在脈沖到達(dá)材料的一瞬間將其性質(zhì)改變。這樣的高速度允許我們?cè)谝幻腌妰?nèi)能夠?qū)⒉牧闲再|(zhì)翻轉(zhuǎn)成千上萬(wàn)次，對(duì)于信息處理、高速計(jì)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(yán)重的就是光對(duì)材料的加熱效應(yīng)。一個(gè)正面的例子是，激光切割技術(shù)中，強(qiáng)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(huì)被損壞；

二是即使超快激光脈沖已經(jīng)離開(kāi)了材料，它產(chǎn)生的熱量需要很長(zhǎng)的時(shí)間（通常在納秒量級(jí)）才會(huì)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(kāi)始思考這樣一種可能性：強(qiáng)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(lái)理論物理學(xué)家開(kāi)始關(guān)注一種新型的弗洛開(kāi)（Floquet）機(jī)制，即強(qiáng)光中周期性振蕩的電場(chǎng)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?zhuān)?，亦即改變材料的性質(zhì)。

過(guò)去十年里，雖然科學(xué)家們已在金屬中實(shí)現(xiàn)了利用弗洛開(kāi)機(jī)制去超快調(diào)控能帶的拓?fù)湫再|(zhì)（名詞解釋?zhuān)饘僦械碾娮訕O容易被加熱，從而限制了能照射在樣品上的激光的強(qiáng)度，因?yàn)檫^(guò)強(qiáng)的激光可能會(huì)造成材料的損傷。

美國(guó)加州理工學(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)其光學(xué)性質(zhì)的弗洛開(kāi)調(diào)控，因?yàn)橹灰褂玫募す夤庾幽芰啃∮诮^緣體的能隙（名詞解釋?zhuān)?，這些光子就不會(huì)被吸收。

研究人員選取了MnPS?半導(dǎo)體單晶來(lái)實(shí)現(xiàn)這一想法，因?yàn)槠淠芟逗艽?，大約對(duì)應(yīng)于藍(lán)光的光子能量。如果用強(qiáng)紅外光來(lái)照射材料，就能實(shí)現(xiàn)弗洛開(kāi)機(jī)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(gè)過(guò)程中，由于振蕩的強(qiáng)光場(chǎng)，電子的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但是電子本身不會(huì)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(qiáng)激光照射在材料上，改變材料對(duì)于某些波長(zhǎng)的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)

強(qiáng)激光照射在材料上，改變材料對(duì)于某些波長(zhǎng)的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)

這樣一來(lái)，由于電子能帶結(jié)構(gòu)被改變，研究人員測(cè)量到相應(yīng)的光學(xué)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(qiáng)光的照射下MnPS?的能隙變大了10%——也就是說(shuō)，在自然狀態(tài)下，材料對(duì)于藍(lán)光是不透明的；但是由于強(qiáng)激光導(dǎo)致的能隙增大，材料對(duì)于藍(lán)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(xué)性質(zhì)會(huì)迅速回到其自然狀態(tài)，而這在材料對(duì)光子有吸收的情況下是不可能做到的。弗洛開(kāi)機(jī)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(kāi)機(jī)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(xiàng)研究證實(shí)了利用超強(qiáng)激光對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行弗洛開(kāi)超快調(diào)控的可行性，并且在未來(lái)的研究中，可供調(diào)控的材料性質(zhì)可以從光學(xué)性質(zhì)被推廣到其他性質(zhì)，例如電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)。

這項(xiàng)研究及其背后的理論工作照亮了一個(gè)研究材料科學(xué)的新前景——如果我們想找到具備某種有趣性質(zhì)的材料，無(wú)論是奇特的光學(xué)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(fèi)盡心神去對(duì)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(wú)奇的材料，然后仔細(xì)設(shè)計(jì)照射在上面的激光，改變激光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振方向，從而讓其實(shí)現(xiàn)我們夢(mèng)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