科学家利用超快激光方法冻结量子运动

某些材料展现出迷人的量子特性，这些特性可能催生变革性技术，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，这些特性会隐藏起来，科学家需要通过温和手段激发其显现。一种方法是利用超短光脉冲改变材料微观结构和电子相互作用，从而诱导功能特性出现。但好景不长——这些光诱导态是瞬态的，通常仅持续几皮秒，难以在实际应用中利用。在极少数情况下，光诱导态会变得长寿命。但我们对此类现象的理解仍有限，且尚无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）的同事通过操控铜氧化物化合物中的电子态对称性，成功克服了这一挑战。他们在PSI的X射线自由电子激光器SwissFEL上证实，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——这比通常寿命长约一千倍。

光控电子

研究对象Sr₁₄Cu₂₄O₄₁（一种铜氧化物阶梯结构）具有准一维特性。它由两种不同结构单元组成：阶梯结构（ladders）和链状结构（chains），呈现铜氧原子的特定排列方式。这种一维结构为理解高维系统中出现的复杂物理现象提供了简化平台。"该材料如同我们的果蝇实验模型，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，使其无法获得足够能量逃逸。但该技术可能诱发改变材料分子排列的结构相变，这正是Mitrano团队希望避免的。"我们试图探索是否存在通过纯电子学方法将材料锁定在非平衡态的新途径，"Mitrano阐明。因此他们提出了替代方案。

该化合物中链状单元承载高密度电子电荷，而阶梯结构相对空置。平衡状态下，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可打破这种对称性，使电荷通过量子隧穿效应从链状单元转移到阶梯结构。"这如同开关阀门，"Mitrano比喻道。激光激发停止后，连接阶梯与链状单元的隧穿通道关闭，切断两个单元间的通讯，使系统暂时囚禁于新的长寿命态，便于科学家测量其特性。

尖端快速X射线探测

SwissFEL产生的超亮飞秒X射线脉冲成功捕捉到亚稳态形成及后续稳定的超快电子过程。通过在SwissFEL弗尔卡终端站采用时间分辨共振非弹性X射线散射（tr-RIXS）技术，研究人员能独特解析磁、电及轨道激发及其动态演化，揭示其他探测手段难以观测的特性。

"我们可以精准定位决定系统物理特性的特定原子，"弗尔卡终端站负责人、实验装置负责人Elia Razzoli强调道。

该能力对解析产生亚稳态的光诱导电子运动至关重要。"此技术使我们能在电子本征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。

开创性研究的序章

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；实际上，这些成果源自弗尔卡终端站首个用户组的首次实验。正是对弗尔卡站发展tr-RIXS技术的兴趣促使哈佛团队与PSI科学家合作。"能在进行此类实验的设备上获得机时实属难得，"Mitrano评价道。

首期实验后，弗尔卡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）。"该实验对展示我们可开展的实验类型至关重要。终端站及其仪器设备现已大幅优化，我们将持续改进，"Razzoli总结道。

该研究标志着远离平衡态的量子材料控制取得重大突破，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路径，有望促成超快光电器件（包括电光信号转换器——量子通信与光子计算的核心组件），并为光创控量子态编码数据的非易失性信息存储提供新途径。