利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

某些材料具有被隐藏起来的理想特性，就像用手电筒在黑暗中照明一样，科学家可以用光来揭示这些特性。研究人员开发出一种先进的光学技术，利用光来揭示量子材料 Ta2NiSe5 (TNS) 的隐藏特性。通过使用太赫兹时域光谱学，研究小组观察到了异常的太赫兹光放大现象，表明存在激子凝聚体。这一发现为将量子材料用于纠缠光源和量子物理学的其他应用开辟了新的可能性。

加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然·材料》（Nature Materials）杂志上。

材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。

通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。

量子材料中的先进光学技术

"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"

该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。

量子态和光放大

这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。

当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态--当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。

在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。

凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。

哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"