Paul Scherrer研究所PSI的一个国际团队展示了光如何从根本上改变固体的性质，以及这些效应如何应用于未来的应用。研究人员在科学杂志《现代物理学评论》上总结了他们在这一领域的进展，该领域的研究是基于瑞士x射线自由电子激光器(Swiss x -射线自由电子激光器SwissFEL)也可以进行的实验。
(格拉菲克:阿尔贝托·德拉托雷，但丁·肯尼斯，马丁·克拉森，西蒙·戈伯，詹姆斯·麦克弗，迈克尔·森特夫)
包括Paul Scherrer研究所PSI量子技术组负责人Simon Gerber在内的研究人员刚刚在著名的《现代物理学评论》上发表了一篇文章，探索光如何从根本上改变固体的性质，以及这些效应如何在未来的应用中得到利用。对超快材料科学的最新发展的回顾，既意味着作为一个指导研究生进入该领域，也为社区的标准参考。除了PSI研究员Simon Gerber之外，该报告还由MPSD小组领导人James McIver和Michael Sentef以及亚琛工业大学的Dante Kennes、Alberto de la Torre (Brown University, USA)和Martin Claasen (University of Pennsylvania, USA)共同撰写。该团队讨论了固体如何在短激光脉冲的激发下发生反应，或者在光照射时光与物质的耦合的实验和理论思想。
一块材料，当不受干扰时，通常处于热平衡状态，受热力学定律的制约。在热力学定律中，一些已知的外部条件(如温度、压力)完全决定了它的行为。然而，许多实际应用不仅需要了解给定材料的平衡态，还需要了解其激励。“如果我们可以随意设计激发态，这将允许我们创造新的应用，例如高速信息处理和存储，无损能量转移，以及量子技术，”西蒙·格伯解释道。
与宇宙的年龄相比，就像一秒钟
近年来，“泵探测实验”领域取得了巨大的进展。在这些实验中，可以在瑞士x射线自由电子激光器SwissFEL上进行，一个短的“泵浦”激光脉冲驱动材料进入激发态。频闪观测“探头”的测量然后创造了随之而来的动态的定格动作电影。“多亏了技术的发展，科学家现在可以控制电子、电子的自旋和轨道自由度，以及离子的晶格，”Michael Sentef说。“重要的是，我们能够以飞秒的时间分辨率跟踪这些受控的物质状态。”一飞秒是一个非常小的时间。它之于一秒，就像一秒之于宇宙的年龄。
为了回顾这一迅速发展的领域，科学家们组成了一个团队，其中包括实验学家——德拉·托雷、麦克维尔和格伯——以及理论家——克拉森、肯尼斯和森特夫。但丁·肯尼斯说:“我们认为，确定如何利用光线控制材料的统一主题，并推动应用，这是至关重要的。”
Simon Gerber强调了一个新颖的方面，即不同的探测技术可以结合起来，在同一时间了解动力系统的不同部分。他解释说:“当你用激光撞击一种材料时，电子被推来推去，形成晶格的离子也开始同时移动。”“与热平衡不同，在热平衡中，系统的不同组成部分总是保持平衡，激光可以打破这种平衡，导致非平衡状态，能量在物质中以意想不到的方式流动。”了解不同的部分是如何对外部驱动力做出反应的，也是如何相互作用的，这是非常宝贵的。例如，我们通过同时监测电子和离子之间的动态，了解了它们之间的相互作用力。”这些新的见解为未来的工作铺平了道路，Sentef补充道:“例如，收集到的知识使我们能够更好地理解是什么迫使电子对产生更好的超导体，这种材料可以在没有热损失的情况下导电，并制造出奇妙的磁铁。”
理论与实践相结合的启发
“新的实验能力也激发了理论的想法，这反过来又激励实验主义者去寻找实现这些想法的方法，”Martin Claassen说。例如，大约十年前，理论学家提出，通过用光照射材料，可以改变材料的拓扑结构——一种量子力学性质，可以导致沿其边缘无耗散的传输，同时在整体中保持绝缘。这被称为弗洛凯工程，以一位法国数学家的名字命名，他发明了一种形式主义来描述由实时振荡力驱动的动力系统。”
得到的Floquet拓扑态最近才在James McIver领导的实验中测量。“我们必须发明和建立一个全新的实验来实现这一点，”他说。“在我们的回顾中，我们强调当理论和实验相结合时所产生的协同效应。我们认为，该领域现在已经成熟，可以从发现激光驱动材料的新效应，转向利用这些效应开发潜在的技术。”De la Torre补充说:“实现这一目标的一种方法是利用材料生长技术来设计具有理想平衡态和激发态的样品。这些可以通过短激光脉冲来控制。这显然是一个团队的努力，由实验进展和理论理解驱动，我们希望我们的审查可以帮助形成一个更强大的社区，吸引特别是年轻的研究人员加入这一科学旅程。”
本文基于来自马普研究所für物质结构与动力研究所的通信
