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在二維材料和拓撲材料等量子材料的研究中，光和物質(zhì)的相互作用起著(zhù)重要的作用。它不僅是研究材料處于平衡態(tài)時(shí)的物理特性的重要探測手段，更為重要的是，脈沖激光激發(fā)還可以作為一種物態(tài)調控新手段。利用光激發(fā)可誘導或“衍生”出平衡態(tài)所不具有的新奇物態(tài)，進(jìn)而在超快（皮秒甚至飛秒）時(shí)間尺度上實(shí)現量子材料的物性調控。近期，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授及合作者受邀撰寫(xiě)量子材料中光誘導的新奇物理效應的綜述文章，評述該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展及實(shí)驗的挑戰，并展望該研究領(lǐng)域的重要發(fā)展機遇。
圖1：光和量子材料相互作用導致的新奇物理效應。(a)利用光作為周期性電場(chǎng)的特性，可利用弗洛凱電子態(tài)對其電子結構進(jìn)行調控（弗洛凱工程）并誘導出瞬時(shí)拓撲物態(tài)。(b)光對材料能量景貌的擾動(dòng)導致瞬態(tài)相變，例如，光致超導和電荷密度波等。(c)利用光的偏振特性來(lái)操控量子材料中的自旋、贗自旋和能谷等量子自由度，例如，利用圓偏振光進(jìn)行不通過(guò)能谷的選擇性激發(fā)。(d)光和材料的拓撲幾何相位（貝里曲率）的相互作用導致獨特的非線(xiàn)性光學(xué)響應。
近十年來(lái)，二維材料和拓撲材料的研究不僅得到了快速的發(fā)展，而且對其物理特性的研究及物態(tài)的調控逐漸從平衡態(tài)（穩態(tài)）拓展到非平衡態(tài)（瞬態(tài)）。這個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展一方面得益于高質(zhì)量二維材料及異質(zhì)結的制備、拓撲新材料的發(fā)現及對光與物質(zhì)相互作用物理機制的理解，另一方面也與基于泵浦-探測手段的多種超快時(shí)間分辨實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展密不可分。尤其是超快時(shí)間分辨角分辨光電子能譜(TrARPES)、超快時(shí)間分辨X射線(xiàn)衍射(TrXRD)、超快電子衍射(UED)、超快光學(xué)和超快時(shí)間分辨輸運等前沿實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展使得瞬態(tài)電子結構、晶格結構和物性的探測成為可能，從而為在超快時(shí)間尺度上捕捉非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)及實(shí)現瞬時(shí)物態(tài)調控提供了前所未有的機會(huì )。
光和物質(zhì)的相互作用可在二維材料和拓撲材料中誘導出諸多新奇物理效應（見(jiàn)圖1）。利用光具有的周期性電場(chǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用，人們可以瞬態(tài)調控其電子結構（簡(jiǎn)稱(chēng)弗洛凱工程，Floquet engineering），進(jìn)而改變其拓撲特性；或者在原本非拓撲的材料中誘導出瞬態(tài)拓撲態(tài)（圖1a）。通過(guò)光與量子材料中多種準粒子自由度的耦合，進(jìn)而改變其能量景貌，可以誘導出瞬態(tài)相變，例如光誘導的超導和電荷密度波等新奇物態(tài)（圖1b）。光和物質(zhì)的相互作用還可以用來(lái)探測和操控材料中的贗自旋和谷等各種量子自由度（圖1c），為未來(lái)電子器件的發(fā)展提供新的思路。此外，光和物質(zhì)的相互作用也成為了探測材料拓撲性質(zhì)的強有力方法，其與材料拓撲相位的耦合可產(chǎn)生新奇的光學(xué)線(xiàn)性和非線(xiàn)性響應（圖1d）。
近年來(lái)，量子材料的光致新奇物理效應的研究得到快速的發(fā)展，但是與大量的理論預言相比，當前量子材料的非平衡態(tài)物理和瞬態(tài)調控的實(shí)驗研究仍處于關(guān)鍵發(fā)展階段。一方面，實(shí)驗研究仍然面臨巨大的挑戰，但是同時(shí)這個(gè)領(lǐng)域也蘊含著(zhù)取得重大實(shí)驗突破的機遇。把量子材料的研究拓展到非平衡態(tài)不僅具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)也擁有廣闊的應用前景。在皮秒甚至飛秒的時(shí)間尺度上實(shí)現量子材料的物態(tài)調控，對于未來(lái)新一代高速、新機制器件的研發(fā)意義重大。
該工作以“二維材料和拓撲材料光誘導衍生現象”(Light- induced emergent phenomena in2D materials and topological materials)為題于11月9日在線(xiàn)發(fā)表在《自然評論：物理》（Nature Reviews Physics）。清華大學(xué)物理系博士研究生鮑昌華為文章第一作者，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授、北京大學(xué)量子科學(xué)材料中心孫棟教授和北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院湯沛哲教授為文章的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng )新中心和北京自然科學(xué)基金的支持。
