清华团队探微揭秘！飞秒激光改写材料“基因”

光与物质的相互作用是探究低维量子材料微观物理机制的重要探测手段，并且其中超短、超强脉冲激光还可作为电子结构及物态的有效调控手段，实现平衡态所不具有的新物态、新效应。

周树云研究组和合作者首次在半导体材料黑磷中实现了脉冲激光诱导的弗洛凯瞬时能带调控，并发现其与黑磷的赝自旋具有独特的耦合作用及光学选择定则，研究工作以“Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus”为题，于2023年2月2日发表在Nature杂志。

半导体材料弗洛凯能带调控示意图

低维量子材料包括碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫族化合物等，以其新奇的物理特性和全新的器件应用而广受关注。例如，相比于石墨的三维立体结构而言，石墨烯以其单原子级厚度可以被视作“二维”这样的低维材料，其中的电子结构也会因为维度的降低而发生剧烈的变化。“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，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。”

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，迈出了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。

在非平衡态超快动力学和瞬时物态调控研究中，一个备受关注的重要研究方向是通过周期振荡的势场诱导量子物态的变化，进而实现对其电子结构的调控，该方案被称为弗洛凯工程(Floquet engineering)。从材料的晶格结构出发，电子受到空间中周期性变化晶格的影响，形成在动量空间具有周期性的能带结构，导致整个材料呈现出金属、绝缘体、半导体乃至超导体的多种性质的可能。与之相类比，外加的周期振荡势场将导致电子在能量空间出现能带结构的周期性复制，进而形成弗洛凯态。进一步地，通过电子与周期势场的相互作用对低维量子材料的能带结构、对称性及拓扑性质的瞬时调控，可实现平衡态所不具有的新物态，例如，将拓扑平庸的材料转变为拓扑材料，实现远离平衡态的拓扑超导态等。

“目前，国际上这方面的研究还刚开始。一方面，我们希望弗洛凯能带工程可以在更加广泛的材料体系中被实现，从而为更加自由地调控材料的性质提供一种新的途径，”对于该研究领域的发展前景和可能的应用，清华大学物理系2017级博士生周绍华介绍，“另一方面则是在未来飞秒激光在材料物性调控作用上的应用，如在超快时间尺度上实现材料的非平庸拓扑、超导拓扑物态等。”

弗洛凯态的概念自上个世纪初被提出后就引起了物理学家的广泛关注，并被应用于凝聚态物理、冷原子物理和光晶格等领域。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。然而，尽管理论方面涌现出丰富的预言，与之形成鲜明对比的是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，能否在常规材料（例如半导体）中实现能带结构的瞬时调控，仍然有待实验的证实。

利用超快时间分辨角分辨光电子能谱在黑磷中实现弗洛凯瞬时能带调控

周树云研究组多年来致力于低维量子材料的电子能谱和非平衡态超快动力学的研究，尤其是弗洛凯能带及物态调控的实验研究。这一过程并不简单，需要研发具有能够实现弗洛凯调控工程所需的极端实验条件的先进科学仪器。由于弗洛凯调控要求激发光源具有低光子能量、强峰值电场等极端实验条件，研究组针对领域难点投入了大量的精力，攻克了中红外强场脉冲激发光源以及与角分辨光电子能谱仪结合方面的困难，研制出具有前沿技术指标的超快时间分辨角分辨光电子能谱(TrARPES)系统。

在材料体系方面，周树云研究组独创一格，巧妙地选取了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，研究组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，并观察到了复制的弗洛凯边带。

在研究其中的弗洛凯瞬时能带调控时，研究组使用了类似“给电子拍电影”的方法：在飞秒尺度上去记录它在光的激发下，从光到来之前、刚好到达时以及光离开以后整个动态过程中的关键时刻，从而观察它是怎样演化的。在此基础上，他们通过系统性地探究该瞬时能隙对时间、光强和电子掺杂等变量的响应等，确认了所观测到的瞬时能隙是由弗洛凯能带工程所导致。

更有意思的是，研究组发现黑磷中的弗洛凯能带工程对激发光源的偏振具有强烈的选择性：只有当泵浦光偏振沿着黑磷的扶手椅型(armchair)方向时，才会出现瞬时能隙，揭示出弗洛凯能带工程调控具有特定的光学选择定则。结合理论分析，研究组指出这一奇特的偏振选择效应来源于黑磷的赝自旋自由度（黑磷元胞中含有两个子晶格，对应的两能级系统可类比自旋）。这些研究结果不仅为弗洛凯能带调控提供了重要的思路，同时，飞秒激光调控的迅速“开关”特点也为进一步探索拓扑物态、关联物态（磁性、超导等）的瞬时调控奠定了重要的基础。此外，这一独特的偏振选择效应未来也有望应用于光学偏振相关的光电器件应用中。

参与项目研究的实验团队成员

这个研究课题自周树云2012年入职清华大学就已列入她的研究计划，是她在清华最想解决的科学挑战之一。该实验涉及多种精密实验技术的结合，没有现成的仪器设备可以开展此类实验，也缺乏可供借鉴的研究经验，研究过程充满了挑战。课题组通过多年的技术研发和多方筹集资源，克服重重困难，不断朝着目标努力，并最终在2018年完成了仪器平台的建设，使该系统在能量分辨率、时间分辨率、中红外泵浦光源等多方面指标具有国际领先水平。最近，他们利用这一设备成功攻克了超快时间尺度下，光与半导体材料相互作用导致的弗洛凯工程这一重要科学问题。

该实验所需的实验条件十分苛刻，研究成果来之不易。例如，在实现弗洛凯瞬时能带调控的过程中，需要调控两束飞秒激光在时间和空间上完全重合，才有可能观测到该效应。这就需要不仅在时间上要使它们在飞秒尺度上重合，还要使它们在空间上聚焦到空间上同一个几十微米尺度的点。此外，激光光源的能量范围以及极端峰值电场强度也给实验带来了很多技术上的挑战。

最困难的是，对于这样的未知领域，什么样的实验条件有利于弗洛凯瞬时能带调控的观测，在这方面并没有可供借鉴的经验，只能是摸着石头过河，通过大量实验逐渐积攒经验。在研究过程中，研究组成员通过长年累月的坚持、严谨求实的态度最终攻克了一个又一个难关，从最初开始该实验时遭遇不断失败到观察到最终实验结果时的豁然开朗，他们用专精的实力诠释了科研的态度和决心。

“清华大学为我们提供了优质的科研环境，为青年学者的成长提供了助力。”在清华园学习生活的第 11 个年头，鲍昌华一步步从清华物理学堂班学生、获得研究生特奖成长为今年的 “水木学者”，对科研有他自己深刻的体会。“我们在做科研的过程中，需要不忘初心，始终坚持一步一个脚印。只有把每一步都做到完美，厚积薄发，最后才有希望摘取到最重要的科研成果。”周绍华也有这样的深切体会：“除了优秀的学术环境和科研平台以外，清华自强不息的文化传统也使我们受益匪浅。在科研的道路上，只有坚持自强不息，不断追求卓越，才能取得科研上的重大突破。”

论文通讯作者是周树云，论文共同第一作者为周绍华和鲍昌华。合作者包括清华大学物理系段文晖院士、于浦教授，北京航空航天大学汤沛哲教授，中科院物理所孟胜研究员等。

该研究工作主要受到科技部国家重点研发计划、自然科学基金委国家杰出青年科学基金项目、重点项目和重大科研仪器研制项目的支持。此外，该研究工作还受到国家自然科学基金委基础科学中心项目和中国科学院项目的支持。