黑磷中的Floquet带工程

物理学家一直在努力寻找可靠的策略来操纵固态材料、冷原子和其他系统中的量子态，因为这可以为新技术的发展提供信息。其中一种策略是Floquet工程，它需要周期性地驱动物质的量子态。

清华大学、北京航空航天大学和中国科学院的研究人员最近在中国展示了Floquet能带工程在模型半导体(即黑磷)中的实验实现。他们发表在《自然》杂志上的论文可以为未来的研究工作提供信息，探索半导体材料的Floquet工程，并试图实现光诱导的新兴现象，例如光诱导的拓扑相变。

“光物质相互作用在实验凝聚态物理和材料科学中起着至关重要的作用，它不仅是揭示低维量子材料基础物理的实验探针，更重要的是，它是操纵电子结构和量子态的有效控制旋钮在非平衡状态下，”发起并指导这项研究的周淑云告诉Phys.org。

“这种非平衡控制提供了令人着迷的机会，可以在平衡状态之外引发新的物理现象。沿着这条线，通过时间周期场(即Floquet工程)定制物质的量子态在过去几十年中引起了广泛的兴趣”

过去的研究已将Floquet工程应用于凝聚态物质系统、冷原子和光学晶格。理论著作还预测了基于Floquet工程的有趣现象，例如光致拓扑相变。然而，Floquet工程的实验证据仍然相对匮乏。

“许多基本问题仍有待通过实验结果来回答，”周说。“例如，在现实的实验条件下，Floquet工程能否在半导体中实现?解决这个问题很重要，因为半导体广泛用于电子和光电设备。”

TrARPES在黑磷中进行Floquet带工程的实验证据。红色箭头标记瞬态电子结构中的光致间隙开口。图片来源：ShuyunZhou、ChanghuaBao、ShaohuaZhou。

多年来，Zhou和他的同事们一直在尝试寻找有利的方法和实验条件来研究光诱导的新兴现象并在半导体中实现Floquet工程。这可能特别具有挑战性，因为Floquet工程需要低光子能量和强大的峰值电场。

为了满足这些要求，研究人员开发了应用高强度中红外泵浦脉冲的仪器。在他们的实验中，他们将这些工具与称为时间和角度分辨光电子能谱(TrARPES)的最先进测量方法相结合。

“我们选择了一种近乎理想的半导体样品作为开始——具有小带隙和高迁移率的高质量黑磷，这可能有利于实现Floquet工程，”Zhou说。“我们研究中最具挑战性的方面是，这仍然是一个广泛未开发的领域，目前尚不清楚哪些实验条件(泵浦光子能量、泵浦极化等)有利于诱导电子结构的光诱导操纵。它就像在黑暗中寻找一样，我们花了很多年才观察到一些东西。”

Zhou和他的同事最终能够通过系统地微调样品中的光子能量、偏振和时间延迟来观察黑磷中光驱动的瞬态Floquet能带结构调制。这是半导体中Floquet能带工程的首次实验演示。

“我们的工作为半导体的Floquet工程提供了重要的见解，突出了共振泵浦的重要性，”Zhou说。“虽然光学跃迁通常被认为对Floquet状态有害，但我们的工作表明，对于半导体来说，共振泵浦确实对Floquet带工程有利甚至至关重要。这一令人惊讶的发现为在量子材料中寻找Floquet工程提供了途径”

这组研究人员最近的工作是实现光诱导拓扑相变的重要一步，这是量子物理学领域的一个关键目标。因此，他们的发现可能很快就会为旨在在超快时间尺度上瞬时操纵拓扑状态的新研究铺平道路。

Zhou和他的同事使用的实验方法非常有希望实现具有更强泵极化选择性的晶格对称强制Floquet能带工程。这些方法可用于可靠地打开和关闭半导体中的Floquet带，这可以支持新型高速设备的开发。

在这项工作中研究出Floquet工程的赝自旋选择规则背后的理论的理论家之一唐佩哲评论说：“这项工作清楚地表明，Floquet工程物理可以通过赝自旋进一步丰富，赝自旋是一种量子自由度类比旋转。”

“这项工作为通过Floquet工程实现拓扑相变迈出了重要一步，”Zhou补充道。“下一步将通过Floquet工程实现光诱导拓扑相变，甚至在超快时间尺度上在拓扑平凡材料中诱导非平凡拓扑。此外，我们希望将Floquet工程扩展到更多固态材料。”