飛秒激光或可改寫材料“基因”

  ICC訊 記者8日從清華大學(xué)獲悉，該校物理系周樹云教授研究組首次在半導(dǎo)體材料黑磷中實現(xiàn)弗洛凱瞬時能帶調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)獨特的光學(xué)選擇定則，該成果為調(diào)控材料性質(zhì)、開發(fā)新型器件奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究論文發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

  弗洛凱態(tài)的概念20世紀(jì)初被提出，近10年來，弗洛凱瞬時能帶和物性調(diào)控已經(jīng)發(fā)展成為國際上凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的一個重要科學(xué)前沿，其中凝聚態(tài)體系中的實驗進(jìn)展非常少，很多關(guān)鍵的科學(xué)問題，例如能否在具有電子和光電器件應(yīng)用前景的半導(dǎo)體中實現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的瞬時調(diào)控，仍然有待實驗的證實。

  據(jù)了解，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。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，邁出實現(xiàn)瞬時調(diào)控材料特性的重要一步。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)。

  在材料體系方面，該研究組巧妙地選取黑磷這個具有小帶隙、高遷移率的經(jīng)典半導(dǎo)體材料。通過精細(xì)調(diào)節(jié)中紅外激發(fā)光源的光子能量，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)光子能量與帶隙接近共振時，黑磷的電子結(jié)構(gòu)從平衡態(tài)的拋物線形狀演化為在帶頂打開能隙的“墨西哥帽”形狀，并觀察到復(fù)制的弗洛凱邊帶。

  “我們研究的電子能帶結(jié)構(gòu)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。”該工作的主要參與者之一、清華大學(xué)“水木學(xué)者”鮑昌華解釋道，“而我們所做的就是利用飛秒激光來調(diào)控這些材料的‘DNA’，從而獲得我們想要得到的一些性質(zhì)。”