清華大學周樹云團隊 | 半導體材料-黑磷
發(fā)布時間：2024-12-16 10:43:54
今日新材料 今日新材料 2024年12月15日 17:09 北京 對稱性作為現(xiàn)代物理學最重要的基石之一，對固體材料中豐富多樣的量子物態(tài)起到了決定性的作用。近日，清華大學物理系周樹云教授及合作者發(fā)文報道利用超快飛秒激光實現(xiàn)電子態(tài)對稱性的調(diào)控。通過超快時間分辨角分辨光電子能譜測量，他們直接揭示了周期光場對半導體材料黑磷中光修飾的弗洛凱電子態(tài)的宇稱對稱性的調(diào)控，并觀測到周期光場作用所導致的奇特“熱點”能譜。研究成果以“Manipulating the symmetry of photon-dressed electronic states”為題于2024年12月3日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
光場的時間周期性特性可以被用來調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)超快時間尺度上的對稱性和拓撲物態(tài)調(diào)控，這一方法被稱為弗洛凱瞬時調(diào)控。自提出以來，弗洛凱瞬時調(diào)控吸引了物理學家的廣泛關(guān)注，然而其實驗實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。周樹云團隊通過多年實驗積累，攻克中紅外泵浦超快光電子能譜技術(shù)難點，首次在半導體材料黑磷中實現(xiàn)弗洛凱能帶調(diào)控，誘導出瞬態(tài)能隙（Nature 614, 75 （2023））。更進一步通過研究瞬態(tài)能隙在二維動量空間的演化，證明了滑移鏡面對稱性的瞬時破缺（ACS Nano 18, 32038 （2024）），以及實現(xiàn)了遠低于帶隙的非共振激發(fā)導致的弗洛凱瞬時調(diào)控（Phys. Rev. Lett. 131, 116401 (2023)）。目前弗洛凱調(diào)控研究主要集中于弗洛凱電子態(tài)的觀測和電子能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控方面，利用該方法直接調(diào)控電子態(tài)對稱性的實驗研究還非常有限，特別是弗洛凱調(diào)控如何改變電子態(tài)對稱性還有待進一步研究（圖1）。周樹云研究團隊通過采用獨特的具有可調(diào)光偏振時間分辨角分辨光電子能譜技術(shù)，首次成功解碼半導體黑磷中光修飾弗洛凱電子態(tài)的宇稱對稱性。他們觀測到，在周期光場作用下，奇宇稱電子態(tài)在光修飾后被轉(zhuǎn)換為偶宇稱（圖2），表明了周期光場誘導的電子態(tài)的宇稱轉(zhuǎn)換。圖2：利用可調(diào)光偏振時間分辨角分辨光電子能譜技術(shù)揭示電子態(tài)宇稱對稱性的示意圖。光誘導的宇稱對稱性轉(zhuǎn)換和奇特的“熱點”能帶的實驗結(jié)果
更有意思的是，光修飾弗洛凱電子態(tài)不僅發(fā)生了宇稱的轉(zhuǎn)換，還表現(xiàn)出奇特的孤立“熱點”形狀能譜。通過結(jié)合第一性原理計算，他們發(fā)現(xiàn)這一奇特的“熱點”形狀能譜來源于弗洛凱調(diào)控所誘導的電子能帶間的相互作用，表明了弗洛凱調(diào)控對于電子態(tài)對稱性的重要影響。物理系孫志遠研究組進一步利用兩能帶模型，指出該“熱點”型能譜由材料的對稱性所決定，具有一定普適性。該工作不僅展現(xiàn)了可調(diào)光偏振時間分辨角分辨光電子能譜技術(shù)在研究光修飾電子態(tài)對稱性的強大能力，并且首次提供了弗洛凱調(diào)控材料對稱性的直接證據(jù)，為未來弗洛凱調(diào)控對稱性和拓撲物態(tài)研究奠定了基礎(chǔ)。清華大學物理系周樹云教授為該論文的通訊作者，清華大學物理系“水木學者”鮑昌華博士為該論文的第一作者。主要合作團隊包括清華大學物理系孫志遠助理教授、段文暉教授、于浦教授、瑞士保羅謝勒研究所Michael Schüler助理教授。該研究工作受到了國家自然科學基金委科學中心、重點項目，科技部重點研發(fā)計劃，博新計劃、清華大學“水木學者”計劃等資助，同時得到了清華大學低維量子物理國家重點實驗室的支持。來源：清華物理系
原標題：周樹云及合作者發(fā)文報道周期光場對固體材料中光修飾電子態(tài)對稱性的超快調(diào)控
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