一组物理学家观察电子被光包裹
发布时间：2023-04-13 08:00:00 阅读数： 131
子周期尺度上的弗洛凯带工程的概念性想法。资料来源：《自然》（2023）。DOI: 10.1038/s41586-023-05850-x
自古以来，人类一直试图通过结合不同的物质来定制材料。想象一下这样一个世界：材料的特性可以根据需要灵活地改变，只需用光照耀它们。一组来自欧洲各地的物理学家现在已经向这个目标迈出了决定性的一步，他们用光照亮了在固体中运动的电子。
该小组包括来自雷根斯堡大学和马尔堡大学、汉堡的马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所、瑞士维利根的保罗-舍勒研究所以及其他机构的研究人员，他们首次观察到了被称为Floquet带的奇异状态如何在晶体中产生。这一发现已经发表在《自然》杂志上，可能会彻底改变我们对材料特性的思考方式。
马堡大学物理学家Ulrich Höfer教授说："新材料特性的发现通常取决于我们控制材料化学成分的能力，"他是论文的主要作者，也是雷根斯堡大学的兼职教授。"对材料特性的纯光学操纵可以使物理学进入一个新的时代，因为它可以根据需要实现新的功能。"
该团队使用角度分辨光发射光谱的方法来研究拓扑绝缘体碲化铋的表面电子。在这种材料中，电子可以在不发生散射的情况下进行长时间的弹道运动。通过使用强光脉冲，研究人员可以驱动这些电子周期性地穿过晶体。
这导致了一种奇特的量子效应，使电子不仅有一个固定的能量状态，而且有许多能量状态被驱动的光子能量均匀地隔开。这些所谓的Floquet带是电子和光的混合体。雷根斯堡大学物理学家Rupert Huber教授解释说："然而，直到现在，这种状态的动态特性仍然难以捉摸，"另一位主要作者。
该团队的测量结果远远超出了迄今为止用这种技术所能达到的极限。他们成功地拍摄了移动电子的实际视频，其时间分辨率优于光的电磁载波的单一振荡周期。结果，他们有了一个未曾预料到的发现： "出版物的第一作者Suguru Ito博士说："令人惊讶的是，Floquet带在一个光周期后就已经形成了。"我们的实验开辟了可视化大量瞬时量子态的可能性，"Huber补充道。"这为量身定制的量子功能和超快电子学铺平了道路。"
实验结果得到了瑞士Villigen的Paul Scherrer研究所的Michael Schüler博士和德国汉堡的Max Planck物质结构与动力学研究所的Michael Sentef博士的理论模型的支持。
在确定了光诱导材料工程的基本时限后，该团队的突破性发现可能会引领材料科学的新时代，使人们能够按需创造新功能。沿着这一途径，乌尔里希-霍夫教授和鲁珀特-胡贝尔教授最近共同获得了欧洲研究理事会的协同资助，用于他们的 "轨道影院 "研究项目，该项目旨在拍摄单个分子和原子的量子力学轨道中的电子运动的慢动作视频。
