最新研究表明超快激光脉冲可导致非同寻常的相变过程

普通材料经历相变的方式已进行了详细的研究，如熔化或冻结。目前一个研究小组观察到，当他们使用强激光脉冲而不是通过改变温度来触发相变时，这一过程变得大不相同。

科学家早就怀疑可能会出现这种情况，只是直到现在还没有观察到这一过程。有了这一新的获知，研究人员也许能够驾驭新型光电器件的使用机制。

在《自然物理学》“Nature Physics”杂志上报道了这一不寻常的发现。该团队由麻省理工学院的物理学教授NuhGedik带领，研究生Alfred Zong，博士后AnshulKogar以及麻省理工学院、斯坦福大学和俄罗斯Skolkovo科学技术学院（Skoltech）的其他16名成员组成。

在这项研究中，研究小组没有使用像冰这样的实际晶体，而是使用了一种叫做电荷密度波的电子模拟物，这是一种固体内部的冻结电子密度调制，它非常类似于晶体固体的特征。

虽然像冰这样的典型熔化行为是通过相对均匀的方式进行的，但当超快激光脉冲在电荷密度波中感应熔化时，该工作过程完全不同。研究人员发现，在光诱导熔化过程中，相变的进行会在材料中产生许多奇异点，称为拓扑缺陷，而这些奇异点又反过来影响了材料中电子与晶格原子的动力学特征。

Gedik解释说这些拓扑缺陷类似于在水等液体中产生的微小漩涡或漩涡。观察这种独特熔化过程的关键是使用一种极其高速和精确的测量技术来捕捉该过程的实际情况。

小于皮秒长（万亿分之一秒）的快速激光脉冲可模拟发生快速相位变化的类型。快速相变的一个例子是淬火，例如突然将一块半熔融的红热铁投入水中，它几乎可以立即冷却下来。这个过程不同于通过逐渐加热或冷却的材料变化的方式，它们有足够的时间达到平衡，也就是说在整个温度变化的每个阶段达到均匀的温度。

Gedik说，虽然这些光学诱发的相变以前已经被观察到，但是它们发生的确切机制尚不清楚。

研究小组使用三种技术的组合，即超快电子衍射、瞬态反射率和时间和角度分辨光电子发射光谱，同时观察对激光脉冲的响应。在他们的研究中，他们使用了镧和碲的化合物——LATE3，这是已知的主要的电荷密度波。这些仪器可以一起跟踪材料中电子和原子的运动，因为它们改变并响应脉冲。

Gedik说，“在实验中我们可以在电荷密度波熔化时观察电子和原子，并制作成一部短片。”并观察有序的结构，然后解决问题。研究人员能够清楚地观察和确认这些涡旋状拓扑缺陷的存在。

他们还发现重新凝固的时间，包括这些缺陷的溶解是不均匀的，但发生在多个时间尺度。电荷密度波的强度或振幅比晶格的有序性恢复得快得多。这种观察只能通过研究中使用的一组时间分辨技术来进行，每个技术都提供了独特的视角。

Zong说，研究的下一步是尝试确定他们如何能够“以受控的方式设计这些缺陷”。这有可能被用作数据存储系统，“使用这些光脉冲将缺陷写入系统，然后使用另一个脉冲来清除它们。”