清華團隊探微揭秘！飛秒激光改寫材料“基因”

光與物質的相互作用是探究低維量子材料微觀物理機制的重要探測手段，并且其中超短、超強脈沖激光還可作為電子結構及物態的有效調控手段，實現平衡態所不具有的新物態、新效應。

周樹云研究組和合作者首次在半導體材料黑磷中實現了脈沖激光誘導的弗洛凱瞬時能帶調控，并發現其與黑磷的贗自旋具有獨特的耦合作用及光學選擇定則，研究工作以“Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus”為題，于2023年2月2日發表在Nature雜志。

半導體材料弗洛凱能帶調控示意圖

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用而廣受關注。例如，相比于石墨的三維立體結構而言，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，其中的電子結構也會因為維度的降低而發生劇烈的變化。“我們研究的電子能帶結構可以通俗地理解成這些材料的DNA，它決定了材料的各種屬性，清華大學“水木學者”鮑昌華解釋道，“而我們所做的就是利用飛秒激光來調控這些材料的DNA，從而獲得我們想要得到的一些性質。”

當前學界的研究主要聚焦在材料的平衡態特性，而對其非平衡態物理及超快動力學的研究尚處于發展階段。周樹云團隊利用脈沖激光，將時間精度控制到萬億分之一秒，邁出了實現瞬時調控材料特性的堅實一步。在超快時間尺度（皮秒甚至飛秒）上實現電子結構和物理特性的測量和調控，不僅能夠拓展非平衡態物理知識的前沿，還將為未來新型、高速器件的開發和應用奠定重要的科學基礎。

在非平衡態超快動力學和瞬時物態調控研究中，一個備受關注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢場誘導量子物態的變化，進而實現對其電子結構的調控，該方案被稱為弗洛凱工程(Floquet engineering)。從材料的晶格結構出發，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構，導致整個材料呈現出金屬、絕緣體、半導體乃至超導體的多種性質的可能。與之相類比，外加的周期振蕩勢場將導致電子在能量空間出現能帶結構的周期性復制，進而形成弗洛凱態。進一步地，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構、對稱性及拓撲性質的瞬時調控，可實現平衡態所不具有的新物態，例如，將拓撲平庸的材料轉變為拓撲材料，實現遠離平衡態的拓撲超導態等。

“目前，國際上這方面的研究還剛開始。一方面，我們希望弗洛凱能帶工程可以在更加廣泛的材料體系中被實現，從而為更加自由地調控材料的性質提供一種新的途徑，”對于該研究領域的發展前景和可能的應用，清華大學物理系2017級博士生周紹華介紹，“另一方面則是在未來飛秒激光在材料物性調控作用上的應用，如在超快時間尺度上實現材料的非平庸拓撲、超導拓撲物態等。”

弗洛凱態的概念自上個世紀初被提出后就引起了物理學家的廣泛關注，并被應用于凝聚態物理、冷原子物理和光晶格等領域。近十年來，弗洛凱瞬時能帶和物性調控已經發展成為國際上凝聚態物理和材料科學的一個重要科學前沿。然而，盡管理論方面涌現出豐富的預言，與之形成鮮明對比的是凝聚態體系中的實驗進展非常少。很多關鍵的科學問題，例如，能否在常規材料（例如半導體）中實現能帶結構的瞬時調控，仍然有待實驗的證實。

利用超快時間分辨角分辨光電子能譜在黑磷中實現弗洛凱瞬時能帶調控

周樹云研究組多年來致力于低維量子材料的電子能譜和非平衡態超快動力學的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態調控的實驗研究。這一過程并不簡單，需要研發具有能夠實現弗洛凱調控工程所需的極端實驗條件的先進科學儀器。由于弗洛凱調控要求激發光源具有低光子能量、強峰值電場等極端實驗條件，研究組針對領域難點投入了大量的精力，攻克了中紅外強場脈沖激發光源以及與角分辨光電子能譜儀結合方面的困難，研制出具有前沿技術指標的超快時間分辨角分辨光電子能譜(TrARPES)系統。

在材料體系方面，周樹云研究組獨創一格，巧妙地選取了黑磷這個具有小帶隙、高遷移率的經典半導體材料。通過精細調節中紅外激發光源的光子能量，研究組發現當光子能量與帶隙接近共振時，黑磷的電子結構從平衡態的拋物線形狀演化為在帶頂打開能隙的“墨西哥帽”形狀，并觀察到了復制的弗洛凱邊帶。

在研究其中的弗洛凱瞬時能帶調控時，研究組使用了類似“給電子拍電影”的方法：在飛秒尺度上去記錄它在光的激發下，從光到來之前、剛好到達時以及光離開以后整個動態過程中的關鍵時刻，從而觀察它是怎樣演化的。在此基礎上，他們通過系統性地探究該瞬時能隙對時間、光強和電子摻雜等變量的響應等，確認了所觀測到的瞬時能隙是由弗洛凱能帶工程所導致。

更有意思的是，研究組發現黑磷中的弗洛凱能帶工程對激發光源的偏振具有強烈的選擇性：只有當泵浦光偏振沿著黑磷的扶手椅型(armchair)方向時，才會出現瞬時能隙，揭示出弗洛凱能帶工程調控具有特定的光學選擇定則。結合理論分析，研究組指出這一奇特的偏振選擇效應來源于黑磷的贗自旋自由度（黑磷元胞中含有兩個子晶格，對應的兩能級系統可類比自旋）。這些研究結果不僅為弗洛凱能帶調控提供了重要的思路，同時，飛秒激光調控的迅速“開關”特點也為進一步探索拓撲物態、關聯物態（磁性、超導等）的瞬時調控奠定了重要的基礎。此外，這一獨特的偏振選擇效應未來也有望應用于光學偏振相關的光電器件應用中。

參與項目研究的實驗團隊成員

這個研究課題自周樹云2012年入職清華大學就已列入她的研究計劃，是她在清華最想解決的科學挑戰之一。該實驗涉及多種精密實驗技術的結合，沒有現成的儀器設備可以開展此類實驗，也缺乏可供借鑒的研究經驗，研究過程充滿了挑戰。課題組通過多年的技術研發和多方籌集資源，克服重重困難，不斷朝著目標努力，并最終在2018年完成了儀器平臺的建設，使該系統在能量分辨率、時間分辨率、中紅外泵浦光源等多方面指標具有國際領先水平。最近，他們利用這一設備成功攻克了超快時間尺度下，光與半導體材料相互作用導致的弗洛凱工程這一重要科學問題。

該實驗所需的實驗條件十分苛刻，研究成果來之不易。例如，在實現弗洛凱瞬時能帶調控的過程中，需要調控兩束飛秒激光在時間和空間上完全重合，才有可能觀測到該效應。這就需要不僅在時間上要使它們在飛秒尺度上重合，還要使它們在空間上聚焦到空間上同一個幾十微米尺度的點。此外，激光光源的能量范圍以及極端峰值電場強度也給實驗帶來了很多技術上的挑戰。

最困難的是，對于這樣的未知領域，什么樣的實驗條件有利于弗洛凱瞬時能帶調控的觀測，在這方面并沒有可供借鑒的經驗，只能是摸著石頭過河，通過大量實驗逐漸積攢經驗。在研究過程中，研究組成員通過長年累月的堅持、嚴謹求實的態度最終攻克了一個又一個難關，從最初開始該實驗時遭遇不斷失敗到觀察到最終實驗結果時的豁然開朗，他們用專精的實力詮釋了科研的態度和決心。

“清華大學為我們提供了優質的科研環境，為青年學者的成長提供了助力。”在清華園學習生活的第 11 個年頭，鮑昌華一步步從清華物理學堂班學生、獲得研究生特獎成長為今年的 “水木學者”，對科研有他自己深刻的體會。“我們在做科研的過程中，需要不忘初心，始終堅持一步一個腳印。只有把每一步都做到完美，厚積薄發，最后才有希望摘取到最重要的科研成果。”周紹華也有這樣的深切體會：“除了優秀的學術環境和科研平臺以外，清華自強不息的文化傳統也使我們受益匪淺。在科研的道路上，只有堅持自強不息，不斷追求卓越，才能取得科研上的重大突破。”

論文通訊作者是周樹云，論文共同第一作者為周紹華和鮑昌華。合作者包括清華大學物理系段文暉院士、于浦教授，北京航空航天大學湯沛哲教授，中科院物理所孟勝研究員等。

該研究工作主要受到科技部國家重點研發計劃、自然科學基金委國家杰出青年科學基金項目、重點項目和重大科研儀器研制項目的支持。此外，該研究工作還受到國家自然科學基金委基礎科學中心項目和中國科學院項目的支持。