美首次观察到光子同材料内电子的耦合

据美国每日科学网站10月24日报道，美国科学家们成功地让光子和拓扑绝缘体表面的电子相互耦合，并对这种耦合情况进行了观测，理论学家们此前曾预测过这类耦合，但这是科学家首次捕捉到这种耦合。发表在最新一期《科学》杂志上的该研究，将有助于科学家们通过光来改变某些材料的电学属性或制造出电学属性可以被实时“调谐”的新材料。

此前，瑞士物理学家、1952年诺贝尔物理学奖获得者费利克斯·布洛赫首次提出，电子在晶体内会采用一种不断重复的有规则的模式移动，移动模式受晶格周期性结构的控制。光子是拥有独特规则频率的电磁波，它们同材料间的相互作用会导致弗洛凯状态（以法国数学家加斯东·弗洛凯的名字命名）。因此，电子和光子相互“纠缠”就会生成一种在时间和空间上都具有周期性的量子—力学混合状态，被称为弗洛凯—布洛赫状态。

在实验中，该研究的主要作者、麻省理工学院（MIT）物理学副教授努哈·戈迪科领导的研究团队朝一块拓扑绝缘体发射了中红外激光飞秒（1000万亿分之一秒）脉冲，并使用他们专门制造出的高速照相设备——电子分光仪拍下了来自激光脉冲的光子同绝缘体表面的电子间的相互作用，从而首次证实了电子和光子间的弗洛凯—布洛赫状态在晶体内的存在。而且，他们还发现，当光子的偏振方向改变时，会有多种不同类型的混合状态出现。

戈迪科说，最新研究表明，科学家们仅仅通过改变激光束的偏振方向，就可以对材料的电学属性进行修改，比如让其从半导体变成导体。另外，在某些情况下，光能改变材料的行为，但只在光被材料吸收时才会发生，而在最新实验中，光没有被材料吸收，因此在改变物质属性时并不会产生发热等其他效应。

戈迪科表示，或许他们还需要一段时间对其可能的应用进行评估。但他认为，最新研究将有助于科学家们对材料进行工程处理让其具有某些特定的功能，“假如你想让某种材料具有某种特征，比如导电或透明，目前我们需要使用化学方法做到这一点，但借用新方法，我们只需要用光照射物质就可以做到。”最实用的一个例子是打开制造计算机芯片和太阳能电池材料的带隙。

研究人员还表示，尽管实验中使用的是基本的拓扑绝缘体硒化铋晶体，但这一方法或许也适用于石墨烯等其他材料。

新闻来源：http://www.cas.cn/xw/kjsm/gjdt/201310/t20131028_3963521.shtml