科学家使用激光快速和暂时改变材料特性

想象一下，窗户可以很容易地转变为镜子，或者超高速计算机不是靠电子而是靠光来运行。这些只是光学工程可能出现的一些潜在应用，光学工程是利用激光快速和暂时改变材料属性的做法。加州理工学院物理学教授谢汉强（David Hsieh）说：“这些工具可以让你在按下电灯开关时改变材料的电子特性。但是这些技术一直受到激光器在材料中产生过多热量问题的限制。”

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在《自然》杂志的一项新研究中，谢汉强和他的团队，包括主要作者和研究生单俊义（音译），报告了在不产生任何多余的破坏性热量的情况下，成功地使用激光来大幅雕琢材料的特性。

单俊义说：“这些实验所需的激光器非常强大，所以很难不加热和损坏材料。一方面，我们希望材料受到非常强烈的激光照射。另一方面，我们不希望材料完全吸收这些光。”

单俊义表示，该团队找到了一个解决这个问题的“甜区”，激光的频率被微调，以明显改变材料的特性，而不产生任何不必要的热量。

科学家们还说他们找到了一种理想的材料来证明这种方法。这种材料是一种叫做三硫磷化锰的半导体，在广泛的红外频率范围内自然只吸收少量的光。在他们的实验中，研究人员使用强烈的红外激光脉冲，每个脉冲持续约10-13秒，以迅速改变材料内部电子的能量。结果，对于某些颜色的光，该材料从高度不透明的状态转变为高度透明的状态。

研究人员说，更关键的是，这个过程是可逆的。当激光关闭时，该材料立即回到其原始状态，完全没有受到影响。如果材料吸收了激光并发热，这是不可能的，因为材料需要很长时间来散热。新工艺中使用的无热操作被称为"相干光学工程"。

该方法之所以有效，是因为光改变了半导体中电子的能级差异（称为带隙），而没有将电子本身“踢”到不同的能级，而这正是产生热量的原因。

“这就像你有一艘船，然后一个大浪袭来，大力地将船上下摇晃，却没有导致任何乘客掉下来，”谢汉强解释说。“我们的激光正在大力摇动材料的能级，这改变了材料的特性，但电子却保持原状。”

研究人员以前曾设想过这种方法将如何工作。例如，在20世纪60年代，加州理工学院校友Jon H. Shirley提出了关于如何在光的存在下解决材料中电子能级的数学想法。在这项工作的基础上，谢汉强的团队与加州大学圣塔芭芭拉分校的理论家叶孟兴（音译）和Leon Balents合作，计算了激光照射在三硫磷化锰中的预期效果。谢汉强说，该理论以"非凡的"精度与实验相匹配。

谢汉强说，这些发现意味着其他研究人员现在有可能利用光来人工创造材料，例如奇异的量子磁铁，否则这些材料很难甚至不可能自然创造。

单俊义说：“原则上，这种方法可以改变材料的光学、磁性和许多其他属性。这是一种从事材料科学的替代方式。与其制造新材料来实现不同的特性，我们可以只用一种材料，并最终赋予它广泛的有用特性。”

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04051-8

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