想象一下,窗戶可以很容易地轉變為鏡子,或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來執行。這些只是光學工程可能出現的一些潛在應用,光學工程是利用鐳射快速和暫時改變材料屬性的做法。加州理工學院物理學教授謝漢強(David Hsieh)說:“這些工具可以讓你在按下電燈開關時改變材料的電子特性。但是這些技術一直受到鐳射器在材料中產生過多熱量問題的限制。”
在《自然》雜誌的一項新研究中,謝漢強和他的團隊,包括主要作者和研究生單俊義(音譯),報告了在不產生任何多餘的破壞性熱量的情況下,成功地使用鐳射來大幅雕琢材料的特性。
單俊義說:“這些實驗所需的鐳射器非常強大,所以很難不加熱和損壞材料。一方面,我們希望材料受到非常強烈的鐳射照射。另一方面,我們不希望材料完全吸收這些光。”
單俊義表示,該團隊找到了一個解決這個問題的“合適地帶”,鐳射的頻率被微調,以明顯改變材料的特性,而不產生任何不必要的熱量。
科學家們還說他們找到了一種理想的材料來證明這種方法。這種材料是一種叫做三硫磷化錳的半導體,在廣泛的紅外頻率範圍內自然只吸收少量的光。在他們的實驗中,研究人員使用強烈的紅外鐳射脈衝,每個脈衝持續約10~13秒,以迅速改變材料內部電子的能量。結果,對於某些顏色的光,該材料從高度不透明的狀態轉變為高度透明的狀態。
研究人員說,更關鍵的是,這個過程是可逆的。當鐳射關閉時,該材料立即回到其原始狀態,完全沒有受到影響。如果材料吸收了鐳射併發熱,這是不可能的,因為材料需要很長時間來散熱。新工藝中使用的無熱操作被稱為“相干光學工程”。
該方法之所以有效,是因為光改變了半導體中電子的能級差異(稱為帶隙),而沒有將電子本身“踢”到不同的能級,而這正是產生熱量的原因。
“這就像你有一艘船,然後一個大浪襲來,大力地將船上下搖晃,卻沒有導致任何乘客掉下來,”謝漢強解釋說,“我們的鐳射正在大力搖動材料的能級,這改變了材料的特性,但電子卻保持原狀。”
研究人員以前曾設想過這種方法將如何工作。例如,在20世紀60年代,加州理工學院Jon H. Shirley提出了關於如何在光的存在下解決材料中電子能級的數學想法。在這項工作的基礎上,謝漢強的團隊與加州大學聖塔芭芭拉分校的理論家葉孟興和Leon Balents合作,計算了鐳射照射在三硫磷化錳中的預期效果。謝漢強說,該理論以“非凡的”精度與實驗相匹配。
謝漢強說,這些發現意味著其他研究人員現在有可能利用光來人工創造材料,例如奇異的量子磁鐵,否則這些材料很難甚至不可能自然創造。
單俊義說:“原則上,這種方法可以改變材料的光學、磁性和許多其他屬性。這是一種從事材料科學的替代方式。與其製造新材料來實現不同的特性,我們可以只用一種材料,並最終賦予它廣泛的有用特性。”