清華新聞網(wǎng)3月24日電 飛秒脈沖激光產(chǎn)生的周期光場(chǎng)能與材料發(fā)生強(qiáng)相互作用，提供了調(diào)控固體材料能帶及物態(tài)的新范式，相關(guān)研究被稱(chēng)為“弗洛凱調(diào)控”，已成為物理、材料、強(qiáng)場(chǎng)激光及器件應(yīng)用等交叉領(lǐng)域的重要科學(xué)前沿。石墨烯作為弗洛凱調(diào)控的模型體系，在過(guò)去十余年中備受關(guān)注，然而實(shí)驗(yàn)層面的關(guān)鍵證據(jù)，周期光場(chǎng)誘導(dǎo)的雜化能隙，卻始終未能實(shí)現(xiàn)，成為制約該方向發(fā)展的核心瓶頸。近日，清華大學(xué)物理系周樹(shù)云教授課題組首次在石墨烯中成功實(shí)現(xiàn)了周期光場(chǎng)誘導(dǎo)的雜化能隙，確定了石墨烯在弗洛凱調(diào)控中的核心地位。
固體材料的電子結(jié)構(gòu)是決定材料性質(zhì)的根源，而能隙是決定固體材料中金屬性、半導(dǎo)體性還是絕緣性的核心特征。在固體材料中，電子受晶格周期性勢(shì)場(chǎng)作用形成布洛赫（Bloch）態(tài)，晶體的周期勢(shì)場(chǎng)不僅將電子能帶折疊到布里淵區(qū)內(nèi)，更重要的是通過(guò)空間周期性勢(shì)場(chǎng)與電子的相互作用打開(kāi)能隙，從而賦予材料豐富的電學(xué)性質(zhì)（圖1a-c）。將這一概念拓展至?xí)r間維度，時(shí)間周期光場(chǎng)可以“修飾”電子，形成弗洛凱-布洛赫能帶（圖1d,e）。更為重要的是，這些弗洛凱-布洛赫態(tài)之間可以通過(guò)周期光場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，并在弗洛凱布里淵區(qū)邊界處誘導(dǎo)出雜化能隙（圖1f）。這是周期光場(chǎng)調(diào)控電子態(tài)的關(guān)鍵標(biāo)志，也是實(shí)現(xiàn)弗洛凱物性調(diào)控的基礎(chǔ)。弗洛凱調(diào)控不僅提供了在飛秒時(shí)間尺度調(diào)控材料電子結(jié)構(gòu)及物理特性的新范式，而且有望實(shí)現(xiàn)超越平衡態(tài)的新物理效應(yīng)，例如，理論預(yù)言圓偏振光可在石墨烯中誘導(dǎo)拓?fù)淠芟都胺闯；魻栃?yīng)。
石墨烯由于其簡(jiǎn)單干凈的能帶結(jié)構(gòu)以及在物質(zhì)學(xué)科中的重要科學(xué)價(jià)值，成為弗洛凱調(diào)控研究的模型體系，并涌現(xiàn)了豐富的理論預(yù)言。過(guò)去十余年間，相關(guān)研究雖在輸運(yùn)及弗洛凱-安德烈夫態(tài)等方面取得一些進(jìn)展，但作為弗洛凱調(diào)控最直接的譜學(xué)證據(jù)，始終未被觀(guān)測(cè)到。尤其是考慮到電子的耗散與多體相互作用等復(fù)雜因素干擾，能否在石墨烯中最終實(shí)現(xiàn)弗洛凱調(diào)控成為懸而未決的科學(xué)問(wèn)題。因此，在該模型系統(tǒng)中觀(guān)測(cè)到光場(chǎng)誘導(dǎo)的雜化能隙，將是一項(xiàng)關(guān)鍵的原理性驗(yàn)證。
圖1.弗洛凱調(diào)控示意圖。（a-c）固體材料中的布洛赫態(tài)以及能隙形成。（d-f）電子在時(shí)間周期勢(shì)場(chǎng)中的弗洛凱態(tài)以及弗洛凱調(diào)控
周樹(shù)云課題組長(zhǎng)期致力于低維量子材料的非平衡態(tài)超快動(dòng)力學(xué)和周期光場(chǎng)調(diào)控研究?；谇捌谠诤诹准巴?fù)浣^緣體中開(kāi)展弗洛凱調(diào)控的豐富經(jīng)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)如何實(shí)現(xiàn)弗洛凱調(diào)控形成了深刻的科學(xué)見(jiàn)解和扎實(shí)的研究積累。實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)自主研制的超快時(shí)間分辨角分辨光電子能譜（TrARPES）系統(tǒng)，兼具獨(dú)特的中紅外強(qiáng)場(chǎng)泵浦光源及極紫外光源，為弗洛凱調(diào)控研究提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件。經(jīng)過(guò)數(shù)年持續(xù)攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)將高質(zhì)量樣品、強(qiáng)場(chǎng)中紅外泵浦光源及儀器分辨率等方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展協(xié)同整合，最終攻克了這一科學(xué)難題，首次在石墨烯中實(shí)現(xiàn)了弗洛凱誘導(dǎo)的能帶調(diào)制。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了強(qiáng)光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，石墨烯的弗洛凱能帶交叉處清晰出現(xiàn)了能隙打開(kāi)（圖2a,b），并且通過(guò)系統(tǒng)性探究該能隙對(duì)時(shí)間、光強(qiáng)、光子能量等變量的響應(yīng)，確定所觀(guān)測(cè)到的能隙確由周期光場(chǎng)調(diào)控所致。更有意思的是，該能隙表現(xiàn)出顯著的動(dòng)量各向異性：沿光偏振方向能隙消失，而在垂直方向達(dá)到最大，并形成兩個(gè)狄拉克節(jié)點(diǎn)（圖2c）。這一現(xiàn)象直接揭示了周期光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下電子系統(tǒng)的時(shí)空對(duì)稱(chēng)性，并且新形成的狄拉克節(jié)點(diǎn)可通過(guò)調(diào)控周期光場(chǎng)的偏振方向進(jìn)行有效操控，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)光控電子態(tài)提供了新的調(diào)控自由度。
圖2.單層石墨烯中光誘導(dǎo)的能隙。（a）石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。（b）有泵浦光作用時(shí)的石墨烯電子結(jié)構(gòu)，紅色箭頭指向能隙打開(kāi)的位置。（c）石墨烯中光誘導(dǎo)的各向異性能隙與狄拉克節(jié)點(diǎn)形成示意圖
研究成果以“石墨烯弗洛凱誘導(dǎo)能隙的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)”（Observation of Floquet-induced gap in graphene）為題，于北京時(shí)間3月22日發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。同期刊發(fā)的題為“石墨烯弗洛凱能隙終獲實(shí)現(xiàn)”（A Floquet gap finally opens in graphene）的專(zhuān)家評(píng)述文章對(duì)該成果給予高度評(píng)價(jià)，指出該成果“解決了光驅(qū)動(dòng)石墨烯中長(zhǎng)期懸而未決的雜化能隙問(wèn)題，為弗洛凱能帶調(diào)控建立了一套切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)一步彰顯了在量子材料中實(shí)現(xiàn)光致拓?fù)涞膹V闊前景。”
清華大學(xué)物理系教授周樹(shù)云為論文通訊作者，清華大學(xué)物理系2021級(jí)博士生王飛和2022級(jí)博士生蔡軒羲為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)“篤實(shí)計(jì)劃”、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)和新基石科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02549-y
供稿：物理系
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
