Nature｜无热损伤的激光调控材料特性

美国加州理工学院的研究人员最近成功地使用激光实现大范围调控材料的特性，而且不产生损害材料的多余热量。

研究人员表示，由于激光强度高，基于激光改变材料电子特性的技术一直受到激光产热过多从而损害材料的限制。一方面，他们希望材料受到高强度的激光照射。另一方面，也不希望材料吸收入射光从而产生热量。

激光在低温室中照亮一种材料，从而改变材料的透明度。

为了解决这个问题，研究人员对激光的频率进行了微调，使其明显地改变了材料的特性，同时又不带来任何不必要的热量。并且，他们还找到了一个应用于该技术的理想材料：三硫化锰，其是一种在宽红外频率范围内只具有少量吸收的半导体。

在实验中，该团队使用强红外激光脉冲，每个脉冲持续约10-13s，从而迅速改变材料内部电子的能量。实验结果表明，该材料在某些波长下从高度不透明的状态转变为高度透明的状态。这是因为激光改变了半导体中电子的能级差异，即带隙。但是，由于没有电子跃迁到不同的能级，所以不会产生热量。

更重要的是，这个过程是可逆的，即没有激光照射时，材料立即恢复到原来的状态，完全没有受到影响。但是，如果材料吸收了激光的热量，就由于热量需要消散不能完全恢复初始状态。

该工作的相关理论研究可以追溯到20世纪60年代，Jon 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证明。在这项工作的基础上，加州理工学院与加州大学圣巴巴拉分校的研究人员合作计算了激光照射三硫化锰的预期效果。该理论与实验结果非常吻合。这些发现表明可以利用光来创造自然界没有的人工材料，如奇异的量子磁铁。这是一种材料科学研究的替代方式，即只用一种材料实现广泛的材料特性。

本项研究已发表于Nature（www.doi.org/10.1038/s41586-021-04051-8）。