已故麻省理工學院教授哈羅德-埃傑頓（Harold”Doc”Edgerton）在20世紀60年代開發了高速頻閃攝影技術，使我們能夠直觀地看到對眼睛來說太快的事件–一滴水滴打在一池牛奶上或一顆子彈穿透一個蘋果。現在，麻省理工學院和得克薩斯大學奧斯汀分校（UT Austin）的科學家們通過使用一套先進的光譜工具，首次捕捉到了隱藏在平衡宇宙中的光誘導的亞穩相的快照。
他們能夠通過在一個具有納米級電子密度調製的二維晶體上使用單鏡頭光譜技術來實時查看這種轉變。
“通過這項工作，我們展示了由電子調製晶體中的超短激光脈衝誘導的隱藏量子相的誕生和演變，”Frank Gao說，他是關於這項工作的論文的共同主要作者，目前是UT Austin的博士后。
“通常情況下，將激光照射在材料上等同於加熱它們，但在這種情況下並非如此，”共同主要作者、目前麻省理工學院化學系的研究生Zhuquan Zhang補充說。“在這裡，對晶體的照射重新安排了電子秩序，創造了一個不同於高溫相的全新相。”
關於這項研究的論文於7月22日發表在《科學進展》雜誌上。該項目由麻省理工學院Haslam和Dewey化學教授Keith A. Nelson和UT-Austin的物理學副教授Edoardo Baldini共同協調。
Nelson說：“了解這種可轉移量子相的起源對於解決非平衡熱力學中長期存在的基本問題非常重要。”
Baldini補充說：“這一結果的關鍵是開發了一種最先進的激光方法，它能夠以100飛秒的時間分辨率將量子材料的不可逆過程‘拍成電影’。”
這種材料，二硫化鉭，由共價結合的鉭和硫原子層組成，鬆散地堆疊在一起。在低於臨界溫度時，該材料的原子和電子會形成納米級的“大衛之星”結構–一種被稱為 “電荷密度波”的非常規電子分佈。
這種新相的形成使該材料成為一個絕緣體，但照亮一個單一的強光脈衝將該材料推到一個可轉移的隱藏金屬中。Baldini說：“這是一個被凍結在時間中的瞬時量子狀態。人們之前已經觀察到了這種光誘導的隱藏相，但其產生背後的超快量子過程仍然是未知的。”
Nelson補充說：“關鍵的挑戰之一是，觀察從一個電子秩序到一個可能無限期存在的超快轉變，用常規的時間分辨技術是不現實的。”
研究人員開發了一種獨特的方法，即把一個單一的探針激光脈衝分成幾百個不同的探針脈衝，這些脈衝在由一個單獨的超快激發脈衝啟動開關之前和之後的不同時間都到達了樣品。通過測量這些探針脈衝在從樣品中反射或通過樣品后的變化，然後將測量結果像單個幀一樣串起來，它們可以構建“一部電影”，從微觀上了解轉化發生的機制。
通過在單次測量中捕捉這種複雜相變的動態，作者證明了電荷密度波的融化和重新排序導致了隱藏狀態的形成。哈佛大學量子研究所的博士后孫志遠的理論計算證實了這種解釋。
雖然這項研究是針對一種特定的材料進行的，但研究人員表示，同樣的方法現在可以用來研究量子材料中的其他奇異現象。這一發現也可能有助於開發具有按需光反應的光電設備。