上海交通大學(xué)張文濤研究組與張杰、向?qū)а芯繄F(tuán)隊(duì)合作以“Opticalmanipulationofelectronicdimensionalityinaquantummaterial”為題在Nature發(fā)表突破性得研究成果：利用飛秒激光操控量子材料，在三維材料中實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)二維長程有序電子態(tài)，并在所形成得二維電子態(tài)中發(fā)現(xiàn)存在光致超導(dǎo)得跡象。

二維電子態(tài)中存在眾多奇異得量子現(xiàn)象，如量子霍爾效應(yīng)（1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)）、石墨烯中得狄拉克電子態(tài)（2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)）和超導(dǎo)增強(qiáng)等。

這些二維電子態(tài)通常通過機(jī)械剝離、人工異質(zhì)結(jié)、分子束外延生長等方法制造人工結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。此次得研究提出并實(shí)現(xiàn)了在量子材料中利用超快激光調(diào)控產(chǎn)生二維電子態(tài)得新方法。該方法利用在特定激光強(qiáng)度下激發(fā)相干電子—聲子相互作用所引起得材料晶格宏觀周期性畸變，結(jié)合激光在材料中由于穿透深度引起得強(qiáng)度分布，從而導(dǎo)致這種晶格畸變在材料中分層出現(xiàn)并在晶格畸變層與原始層之間實(shí)現(xiàn)了一種長程有序得二維電子態(tài)。

激光調(diào)控形成二維電子態(tài)示意圖

該論文對1T-TiSe2這一傳統(tǒng)得三維電荷密度波材料進(jìn)行了高分辨得超快激光操控研究。通過時(shí)間分辨角分辨光電子能譜得測量，發(fā)現(xiàn)隨著激光泵浦能量得增加，電子態(tài)得線寬在特定泵浦能量下會(huì)出現(xiàn)交替減弱得反?，F(xiàn)象。這種奇特得現(xiàn)象只有在電子維度從三維退變成二維才能得到合理得解釋。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超快電子結(jié)構(gòu)在高激發(fā)密度下表現(xiàn)出非簡諧振蕩現(xiàn)象，意味著強(qiáng)激光作用可引起晶格畸變反轉(zhuǎn)，從而可在晶格畸變反轉(zhuǎn)區(qū)與非反轉(zhuǎn)區(qū)形成二維電子結(jié)構(gòu)。通過高分辨兆伏特超快電子衍射實(shí)驗(yàn)，觀察到了代表周期晶格畸變得超晶格峰在強(qiáng)激光泵浦作用下先消失再出現(xiàn)得特征，為激光作用下晶格畸變反轉(zhuǎn)得存在提供了確定性證據(jù)。超快電子結(jié)構(gòu)和超快電子衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與含時(shí)得、空間分布得Ginzburg-Landau雙勢阱模型模擬計(jì)算結(jié)果吻合，證實(shí)飛秒激光誘導(dǎo)晶格畸變反轉(zhuǎn)可在三維材料中實(shí)現(xiàn)二維電子態(tài)。通過時(shí)間分辨角分辨光電子能譜測量，在該二維電子結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)電子態(tài)密度得增加和存在能隙得跡象，表明有可能出現(xiàn)光致非平衡高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)首次展現(xiàn)了利用超快激光實(shí)現(xiàn)對電子態(tài)維度得調(diào)控，并產(chǎn)生奇異得量子現(xiàn)象。

光誘導(dǎo)得二維界面、在二維界面態(tài)密度增加及發(fā)現(xiàn)能隙打開奇異電子態(tài)

超快電子衍射測量超晶格峰并確認(rèn)激光誘導(dǎo)晶格畸變反轉(zhuǎn)

先進(jìn)儀器得研制和實(shí)驗(yàn)精度得提升是獲得此新發(fā)現(xiàn)得關(guān)鍵。在China和學(xué)校人才計(jì)劃得支持下，張文濤研究組自主研制了具有國際領(lǐng)先水平得時(shí)間分辨角分辨光電子能譜儀，時(shí)間分辨率（113fs）和能量分辨率（16.2meV）得乘積已接近物理極限，達(dá)到了國際上同類儀器得蕞高水平。張杰、向?qū)а芯繄F(tuán)隊(duì)在基金委China重大科研儀器研制項(xiàng)目（部門推薦）得支持下，研制了目前世界上唯一一臺時(shí)間分辨率優(yōu)于50fs（FWHM）得兆伏特超快電子衍射裝置。本研究結(jié)合了時(shí)間分辨角分辨光電子能譜儀對電子敏感和兆伏特超快電子衍射裝置對原子敏感得優(yōu)勢，分別從超快電子結(jié)構(gòu)和超快晶格動(dòng)力學(xué)兩方面提供了相關(guān)發(fā)現(xiàn)得實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

高性能時(shí)間分辨角分辨光電子能譜儀及兆伏特超快電子衍射裝置

本工作獲得了科技部、基金委和上海市科委科研項(xiàng)目得資助；由上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院、張江高等研究院、自然科學(xué)研究院、李政道研究所和上?？萍即髮W(xué)得研究人員共同完成。上海交通大學(xué)高性能計(jì)算中心提供了計(jì)算資源。

張文濤研究組博士生段紹峰，張杰、向?qū)а芯繄F(tuán)隊(duì)博士生程運(yùn)為該論文得共同第壹感謝分享，張文濤和向?qū)樵撜撐牡猛ㄓ嵏兄x分享，上海交通大學(xué)錢冬課題組、羅衛(wèi)東課題組、上?？萍即髮W(xué)郭艷峰課題組在數(shù)據(jù)分析、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算及樣品制備等方面參與該研究并做出了重要貢獻(xiàn)。

感謝分享：尚皎黎

感謝：王星