科学家利用超快激光技术实现量子运动冻结

某些材料展现出迷人的量子特性，可催生变革性技术，从无损耗电子器件到高容量电池。然而，当这些材料处于自然状态时，这些特性隐匿不显，科学家需要巧妙地诱导其显现。实现方法之一是使用超短光脉冲改变材料微观结构和电子相互作用，从而激发这些功能特性。但好景不长——这些光诱导态具有瞬态性，通常仅持续几皮秒，使其难以应用于实际。在罕见情况下，光诱导态会变得长寿命。但我们对这些现象的理解仍有限，且缺乏设计持久激发态的通用框架。

哈佛大学的科学家团队与瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的同事合作，通过操控铜氧化物化合物中的电子态对称性攻克了这一难题。利用PSI的X射线自由电子激光器SwissFEL，他们证明定制化光激发可诱导出持续数纳秒的"亚稳态"非平衡电子态——其寿命比常规情况长约一千倍。

用光操控电子

研究对象Sr₁₄Cu₂₄O₄₁——一种所谓的铜酸盐阶梯结构——具有近一维特性。它由两种不同结构单元（即阶梯和链）组成，呈现铜氧原子的特定排布形态。这种一维结构为理解高维系统中同样存在的复杂物理现象提供了简化平台。"该材料如同我们的果蝇，是可研究普适量子现象的理想平台，"领导该研究的哈佛大学实验凝聚态物理学家Matteo Mitrano解释道。

实现长寿命（"亚稳态"）非平衡态的方法之一是将系统囚禁在能量阱中，使其缺乏逃逸能量。但该技术可能引发改变材料分子排布的结构相变，这正是Mitrano团队希望规避的。"我们试图探索是否存在通过纯电子学方法锁定材料非平衡态的其他途径，"Mitrano阐释道。因此他们提出替代方案。

该化合物中链单元具有高电子电荷密度，而阶梯单元相对空置。平衡态下电子态的对称性阻碍了单元间的电荷迁移。经精密设计的激光脉冲打破该对称性，使电荷通过量子隧穿从链转移至阶梯。"这如同开启关闭阀门，"Mitrano比喻道。激光激发停止后，连接阶梯与链的隧穿通道关闭，切断单元间通信，将系统囚禁于新型长寿命态，为科学家测量其特性提供了时间窗口。

尖端快速X射线探测

SwissFEL产生的超亮飞秒X射线脉冲成功捕捉了支配亚稳态形成与后续稳定的超快电子过程。通过在SwissFEL Furka终端站使用时间分辨共振非弹性X射线散射（tr-RIXS）技术，研究者能独特洞察磁、电及轨道激发及其时间演化，揭示其他探测手段难以观测的隐藏特性。

"我们可精准定位决定系统物理性质的关键原子，"Furka终端站负责人、实验装置主管Elia Razzoli表示。

此能力对解析引发亚稳态的光诱导电子运动至关重要。"该技术使我们能在电子固有的超快时间尺度观测其运动轨迹，从而揭示电子亚稳态，"论文第一作者、哈佛大学博士后研究员Hari Padma补充道。

未来研究的开端

tr-RIXS为激发态材料的能量与动量动力学提供独特见解，为SwissFEL用户研究量子材料开辟新科学机遇；事实上，这些成果源自Furka新终端站的首个用户实验。正是对Furka站发展tr-RIXS技术的兴趣促使哈佛团队与PSI科学家合作。"能在支持此类实验的设备上获得机时实属难得，"Mitrano评价道。

自该先导实验后，Furka终端站已完成升级以提升RIXS能量分辨率，现可研究新型个体与集体激发（如晶格激发）。"本次实验对展示我们的研究能力至关重要。终端站及其仪器现已显著优化，我们将持续改进，"Razzoli总结道。

该研究标志着远离平衡态量子材料控制的重大突破，对未来技术具有广泛意义。通过稳定光诱导非平衡态，该研究为设计功能可调材料开辟新途径。这将推动超快光电器件发展（包括电光信号转换器——量子通信与光子计算的核心组件），并为非易失性信息存储提供新路径——即利用光创控量子态进行数据编码。