Only Perception: 拓樸絕緣體：促使光與物質混合

2013-10-25

拓樸絕緣體：促使光與物質混合

Topological insulators: Persuading light to mix it up with matter
http://phys.org/news/2013-10-topological-insulators.html
http://web.mit.edu/newsoffice/2013/persuading-light-to-mix-it-up-with-matter-1024.html

2013.10.25

MIT 的研究者在一種不尋常的材料類型 -- 稱為拓樸絕緣體（topological insulator）-- 表面上，成功的製造與測量光子與電子的耦合。這類型的耦合已由理論所預測，但不曾被觀察過。

研究者指出，這種發現將導致這種材料被創造出來：只要將精確的雷射光束照到這種材料上，其電子特性就能夠即時「調整」。這項研究「為物質之量子態的光學操控，開闢了一條新途徑」，Nuh Gedik 表示，Lawrence C. (1944) and Sarah W. Biedenharn 物理學副教授，以及一篇本週發表在 Science 期刊上的論文的資深作者。

Gedik，博士後 Yihua Wang（目前在史丹佛大學），以及另外二位 MIT 研究者，利用一種 Gedik 的實驗室已經開發好幾年的技術完成這些實驗。他們的方法涉及將飛秒（femtosecond， 10^-15 秒）中紅外線脈衝射向一材料樣本，並利用電子顯微鏡、該團隊開發的特製高速相機觀察結果。

他們證明結晶固體中存在一種電子與光子的量子力學混合物，稱為 Floquet-Bloch 態。首先由瑞士物理學家 Felix Bloch 理論化，電子以一種規律、重複的模式（由結晶體晶格的週期性結構所支配）在結晶體內移動。光子為電磁波，具有明確、規律的頻率；它們與物質的交互作用導致 Floquet 態，那以法國數學家 Gaston Floquet 為名。以一種同調的方式使電子及光子 "糾結" 會產生 Floquet-Bloch state，那在時間與空間上均有週期性。

研究者將來自一道強烈雷射脈衝的光子與拓樸絕緣體上的特異表面電子相混合。他們的高速相機捕捉到特異態的快照（snapshots），從它的產生到它的迅速消失，此過程僅持續數百飛秒。他們亦發現，當光子的偏振改變了，會出現不同種類的混合態。

他們的發現指出，要改變某種材料的電氣特性是可能的 -- 例如，將它從一導體變成半導體 -- 只要改變雷射光束的偏振即可。一般來說，要在某種材料的特性上產生如此戲劇性的變化，"你得要透過某些激烈手段才可以，" Gedik 表示。"但在此例中，只要對它照一照光就有可能辦到這件事。那真的會改變電子在此系統中的移動，而當我們這麼做時，光甚至都沒有被吸收。"

在其他情況下，光能改變某材料的特性 -- 但只有當它被吸收，並將其能量轉移到材料上時才會如此。在這項實驗中，Gedik 表示，光的能量低於吸收閾值。這令人振奮，他說，因為那開啟了這種可能性：來回切換某種材料的特性，而不會引發其他效應可能性，例如變熱 -- 若光被吸收會發生這件事。

那得花一些時間來評估可能的應用，Gedik 說。不過他指出，那可能是一種為了特定功能而改造材料的方法。"假設你想讓某種材料做某件事 -- 例如：導電、或著變透明。我們通常透過化學方法來辦到。透過這種新方法，有可能只要將光照耀到材料上，就能夠辦到這件事。"

例如，有種特性叫做能隙（bandgap）-- 對那些用於電腦晶片或太陽能電池中的材料而言，是一種關鍵特性 -- 只要將一道偏振雷射光束照到材料上就能夠改變，Wang 表示。"你能夠直接改變它，只要用光，就能開啟能隙。舉例來說，那意味著你能將它從一種金屬變成一種半導體，" 他說。

Gedik 表示，雖然這項實驗利用硒化鉍（bismuth selenide）結晶（一種基本的拓樸絕緣體）完成，不過 "我們所完成的東西並不特別限於拓樸絕緣體。那應該也能在其他材料上實現，例如：石墨烯（graphene）。"

※ 相關報導：

＊ Observation of Floquet-Bloch States on the Surface of a Topological Insulator
http://www.sciencemag.org/content/342/6157/453.abstract