美首次觀察到光子同材料內(nèi)電子的耦合

據(jù)美國(guó)每日科學(xué)網(wǎng)站10月24日?qǐng)?bào)道，美國(guó)科學(xué)家們成功地讓光子和拓?fù)?strong>絕緣體表面的電子相互耦合，并對(duì)這種耦合情況進(jìn)行了觀測(cè)，理論學(xué)家們此前曾預(yù)測(cè)過(guò)這類耦合，但這是科學(xué)家首次捕捉到這種耦合。發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上的該研究，將有助于科學(xué)家們通過(guò)光來(lái)改變某些材料的電學(xué)屬性或制造出電學(xué)屬性可以被實(shí)時(shí)“調(diào)諧”的新材料。

此前，瑞士物理學(xué)家、1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者費(fèi)利克斯·布洛赫首次提出，電子在晶體內(nèi)會(huì)采用一種不斷重復(fù)的有規(guī)則的模式移動(dòng)，移動(dòng)模式受晶格周期性結(jié)構(gòu)的控制。光子是擁有獨(dú)特規(guī)則頻率的電磁波，它們同材料間的相互作用會(huì)導(dǎo)致弗洛凱狀態(tài)（以法國(guó)數(shù)學(xué)家加斯東·弗洛凱的名字命名）。因此，電子和光子相互“糾纏”就會(huì)生成一種在時(shí)間和空間上都具有周期性的量子—力學(xué)混合狀態(tài)，被稱為弗洛凱—布洛赫狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)中，該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)副教授努哈·戈迪科領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)朝一塊拓?fù)浣^緣體發(fā)射了中紅外激光飛秒（1000萬(wàn)億分之一秒）脈沖，并使用他們專門制造出的高速照相設(shè)備——電子分光儀拍下了來(lái)自激光脈沖的光子同絕緣體表面的電子間的相互作用，從而首次證實(shí)了電子和光子間的弗洛凱—布洛赫狀態(tài)在晶體內(nèi)的存在。而且，他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光子的偏振方向改變時(shí)，會(huì)有多種不同類型的混合狀態(tài)出現(xiàn)。

戈迪科說(shuō)，最新研究表明，科學(xué)家們僅僅通過(guò)改變激光束的偏振方向，就可以對(duì)材料的電學(xué)屬性進(jìn)行修改，比如讓其從半導(dǎo)體變成導(dǎo)體。另外，在某些情況下，光能改變材料的行為，但只在光被材料吸收時(shí)才會(huì)發(fā)生，而在最新實(shí)驗(yàn)中，光沒有被材料吸收，因此在改變物質(zhì)屬性時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱等其他效應(yīng)。

戈迪科表示，或許他們還需要一段時(shí)間對(duì)其可能的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估。但他認(rèn)為，最新研究將有助于科學(xué)家們對(duì)材料進(jìn)行工程處理讓其具有某些特定的功能，“假如你想讓某種材料具有某種特征，比如導(dǎo)電或透明，目前我們需要使用化學(xué)方法做到這一點(diǎn)，但借用新方法，我們只需要用光照射物質(zhì)就可以做到?！弊顚?shí)用的一個(gè)例子是打開制造計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池材料的帶隙。

研究人員還表示，盡管實(shí)驗(yàn)中使用的是基本的拓?fù)?strong>絕緣體硒化鉍晶體，但這一方法或許也適用于石墨烯等其他材料。

新聞來(lái)源：http://www.cas.cn/xw/kjsm/gjdt/201310/t20131028_3963521.shtml