新研究登上《自然》:激光脉冲可以显著改变材料特性,并突破材料

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北京时间 2 月 18 日消息，据国外媒体报道，人们可以想象一下，窗户可以很容易地变成一面镜子，或者成为不依靠电子而是依靠光运行的超高速计算机，这些仅是光学工程中可能出现的潜在应用，利用激光快速和暂时改变材料性质的实践操作。

▲ 一束强激光照亮低温室中的的材料，该激光被用于改变材料的透明度。

近期在《自然》杂志发表的一项最新研究报告中，物理学家成功地使用激光显著改变材料的特性，整个过程不产生任何多余的破坏性热量。

在实验中所需的激光较强，因此容易出现加热和损坏材料的情况，一方面希望该材料接收强激光照射，另一方面不希望该材料吸收任何光。目前，研究小组找到了一个“最佳点”来解决这个难题，在这个“最佳点”上，激光的频率进行微调，从而显著改变了材料性质，而不会产生任何多余热量。

同时，科学家表示，他们找到了一种理想的材料来演示该方法，这种材料是一种叫做三硫化锰的半导体材料，在较宽的红外频率范围内，三硫化锰能自然地吸收少量光。在这项最新实验中，研究人员使用较强的红外激光脉冲，每个脉冲持续大约 10-13 秒，能快速改变材料内部电子能量。最终，这种材料从高度不透明状态变成某种颜色的高度透明状态。

研究人员强调，实验证明该过程是可逆的，当激光关闭时，材料会立即恢复至原始状态，且完好无损。如果该材料吸收了激光并加热，这种情况是不可能发生的，因为三硫化锰材料需要很长时间进行散热，实验中使用的无热操作被称为“相干光学工程”。

该方法之所以有效，是因为光改变了半导体中电子能级（也叫做电子带隙）之间的差异，而不是将电子踢到不同能级，这正是之前操作产生热量的原因所在。这就像你拥有一艘船，然后一个大浪袭来，船剧烈地上下摇晃，而没有导致任何乘客摔倒，在实验中，激光剧烈地震动材料的能级，这改变了材料的性质，但电子属性仍保持不变。

这些发现意味着其他研究人员现在有可能利用光来人工制造材料，例如：奇异的量子磁铁，这些材料本来很难或者甚至不可能自然地制造出来。从原则上讲，该方法可以改变材料的光学、磁性和许多其他性质，这是研究材料科学家的另一种方式，可以仅使用一种材料，并最终赋予它广泛的有用属性，而不是制造新材料来实现不同性能。