北大化學(xué)系周樹(shù)云及合作者報(bào)導(dǎo)黑磷弗洛凱瞬時(shí)能帶調(diào)控
光與物質(zhì)的互相作用除了是探究低維量子材料微觀化學(xué)機(jī)制的重要偵測(cè)手段，但是超短、超強(qiáng)脈沖激光還可作為電子結(jié)構(gòu)及物態(tài)的有效調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)、新效應(yīng)。
近來(lái)，復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系周樹(shù)云院士和合作者首次在半導(dǎo)體材料黑磷中實(shí)現(xiàn)了脈沖激光誘導(dǎo)的弗洛凱瞬時(shí)能帶調(diào)控，并發(fā)覺(jué)其與黑磷的贗載流子具有奇特的耦合作用及光學(xué)選擇定則，研究工作以“-bandinblack”為題發(fā)表在上。同刊物發(fā)題為“光調(diào)控模型半導(dǎo)體性質(zhì)”（“Lighttheofamodel”評(píng)述文章對(duì)該工作的意義進(jìn)行正面評(píng)價(jià)。
圖1：半導(dǎo)體材料弗洛凱能帶調(diào)控示意圖。
低維量子材料具有豐富的化學(xué)特點(diǎn)，當(dāng)前的研究主要聚焦在這種材料的平衡態(tài)特點(diǎn)，而對(duì)其非平衡態(tài)化學(xué)及超快動(dòng)力學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段。在超快時(shí)間尺度（飛秒甚至皮秒，10-15或10-12秒）上實(shí)現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)特點(diǎn)的檢測(cè)和調(diào)控，除了才能拓展非平衡態(tài)化學(xué)知識(shí)的前沿凝聚態(tài)物理是什么意思，還將為未來(lái)新型、高速元件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)。在非平衡態(tài)超快動(dòng)力學(xué)和瞬時(shí)物態(tài)調(diào)控研究中，一個(gè)倍受關(guān)注的重要研究方向是通過(guò)周期振蕩的勢(shì)場(chǎng)誘導(dǎo)量子物態(tài)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，該方案被稱為弗洛凱工程()。在晶體中，原子在實(shí)空間的周期性排列構(gòu)成了晶體結(jié)構(gòu)并從而造成了電子的能帶結(jié)構(gòu)在動(dòng)量空間具有周期性；與之相類比，外加的周期振蕩的勢(shì)場(chǎng)也將造成電子在能量空間出現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的周期性復(fù)制，從而產(chǎn)生弗洛凱態(tài)（圖1）。進(jìn)一步地，通過(guò)電子與周期勢(shì)場(chǎng)的互相作用對(duì)低維量子材料的能帶結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性及拓?fù)湫再|(zhì)的瞬時(shí)調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)平衡態(tài)所不具有的新物態(tài)，比如，將拓?fù)浞ξ兜牟牧限D(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)洳牧希瑢?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)等。上述借助周期場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的量子物態(tài)調(diào)控機(jī)制被稱為弗洛凱工程()。
弗洛凱調(diào)控的概念自上個(gè)世紀(jì)初被提出后就造成了化學(xué)學(xué)家的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于匯聚態(tài)化學(xué)、冷原子化學(xué)和光晶格等領(lǐng)域。近六年來(lái)，弗洛凱瞬時(shí)能帶和物性調(diào)控早已發(fā)展成為國(guó)際上匯聚態(tài)化學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)重要科學(xué)前沿。但是，雖然理論方面涌現(xiàn)出豐富的預(yù)言，與之產(chǎn)生鮮明對(duì)比的是匯聚態(tài)體系中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展十分少。好多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，比如，能夠在常規(guī)材料（比如，半導(dǎo)體）中實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)調(diào)控，依然有待實(shí)驗(yàn)的否認(rèn)。
圖2：借助超快時(shí)間區(qū)分角區(qū)分光電子能譜在黑磷中實(shí)現(xiàn)弗洛凱瞬時(shí)能帶調(diào)控。
周樹(shù)云研究組多年來(lái)旨在于低維量子材料的電子能譜和非平衡態(tài)超快動(dòng)力學(xué)的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態(tài)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究。因?yàn)楦ヂ鍎P調(diào)控要求迸發(fā)光源具有低光子能量、強(qiáng)峰值電場(chǎng)等極端實(shí)驗(yàn)條件，她們針對(duì)領(lǐng)域難點(diǎn)投入了大量的精力，攻破了中紅外強(qiáng)場(chǎng)脈沖迸發(fā)光源以及與角區(qū)分光電子能譜儀結(jié)合方面的困難，研發(fā)出具有前沿技術(shù)指標(biāo)的超快時(shí)間區(qū)分角區(qū)分光電子能譜()系統(tǒng)。在材料體系方面，她們巧妙地選定了黑磷這個(gè)具有小帶隙、高遷移率的精典半導(dǎo)體材料。通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)中紅外迸發(fā)光源的光子能量，她們發(fā)覺(jué)當(dāng)光子能量與帶隙接近共振時(shí)，黑磷的電子結(jié)構(gòu)從平衡態(tài)的拋物線形狀演變?yōu)樵趲ы敶蜷_(kāi)能隙的“墨西哥帽”形狀（圖2中藍(lán)色箭頭所指），并觀察到了復(fù)制的弗洛凱邊帶。在此基礎(chǔ)上，她們通過(guò)系統(tǒng)性地探究該瞬時(shí)能隙對(duì)時(shí)間、光強(qiáng)和電子參雜等變量的響應(yīng)等，確認(rèn)了所觀測(cè)到的瞬時(shí)能隙是由弗洛凱能帶工程所造成。
更有意思的是，她們發(fā)覺(jué)黑磷中的弗洛凱能帶工程對(duì)迸發(fā)光源的偏振光具有強(qiáng)烈的選擇性：只有當(dāng)泵浦光偏振光順著黑磷的扶手椅型()方向時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)能隙，闡明出弗洛凱能帶工程調(diào)控具有特定的光學(xué)選擇定則。結(jié)合理論剖析，她們強(qiáng)調(diào)這一獨(dú)特的偏振光選擇效應(yīng)來(lái)始于黑磷的贗載流子自由度（黑磷元胞中富含兩個(gè)子晶格，對(duì)應(yīng)的兩基態(tài)系統(tǒng)可類比載流子）。那些研究結(jié)果除了為弗洛凱能帶調(diào)控提供了重要的思路，同時(shí)也為進(jìn)一步探求拓?fù)湮飸B(tài)、關(guān)聯(lián)物態(tài)（磁性、超導(dǎo)等）的瞬時(shí)調(diào)控奠定了重要的基礎(chǔ)。
圖3：參與項(xiàng)目研究的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員。
該論文的通信作者是數(shù)學(xué)系周樹(shù)云院士，論文共同第一作者為復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系2017級(jí)博士生周紹華和復(fù)旦學(xué)院“水木學(xué)者”鮑昌華。合作者包括復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系段文暉教授、于浦院士，上海民航航天學(xué)院湯沛哲院士凝聚態(tài)物理是什么意思，中科院化學(xué)所孟勝研究員等。
該研究工作主要深受科技部國(guó)家重點(diǎn)研制計(jì)劃、自然科學(xué)基金委國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和重大科研儀器研發(fā)項(xiàng)目的支持。據(jù)悉，該研究工作還遭到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和中國(guó)科大學(xué)項(xiàng)目的支持。
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