单脉冲激光轻松切换二硫化钽的不同状态

在SLAC实验中，用单脉冲激光将二硫化钽从一种状态变换到另一种状态，然后再返回。从左顺时针方向：一个单一的光脉冲将材料从最初的状态(红色)转变为混合状态(蓝色)，由畴壁(右)分隔。利用第二个光脉冲溶解畴壁，材料恢复到原来的状态。这样的开关可能会促进新型数据存储设备的开发。

美国能源部SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)和麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的科学家们介绍了一种非常简单的方法，可以用激光将材料从一个状态转换到另一个状态，然后再转换回来。

这项研究的首席研究员Nuh Gedik（麻省理工学院）说，这种切换行为与磁性数据存储材料的情况类似，利用激光进行切换可以为下一代数据存储设备提供一种新的读取和写入信息的方式，以及其他前所未有的应用。研究小组今天在Science Advances杂志上发表了他们的研究结果。

冻结电子波

在目前的设备中，信息是通过磁场翻转电子自旋来存储和检索的。“但在这里，我们翻转了一种不同属性的物质，即电荷密度波，”Gedik团队的研究生、该研究的主要作者之一Alfred Zong说。

电荷密度波是电子在材料中分布的周期性峰和谷。它们静止不动，就像冰湖上冰冷的浪花。科学家们需要了解更多关于这些波的知识，它们经常与其他有特性的材料特性共存，比如在相对较高的温度下不损失电能的能力，这可能与这些特性有关。

这张透射电子显微镜图像显示了二硫化钽晶体中两种不同状态之间的区域壁(用黄色圆圈标记)，α（红色区域）和β（蓝色区域）。晶体被单个光脉冲击中后形成的状态和畴壁。

这项新研究的重点是二硫化钽，这是一种具有电荷密度波的物质，各向同性，即α 态。当研究人员用非常短的激光脉冲轰击这种材料的一个薄晶体时，一些波就会以不同的电子方向跃迁到β 状态，而α 和β 区域被畴壁隔开。第二次闪光溶解域壁，使材料恢复到纯α状态。

良好的开关材料

SLAC的超快电子衍射仪(UED)探测到了这种新出现的物质的一些变化。这是一种高速“电子摄像机”，是用高能电子束探测物质原子结构的方式。

SLAC UED小组的负责人王西杰（音）说：“我们在实验中在寻找其他的状态时，我们看到可以用单光脉冲来添加和去除畴壁时，我们完全惊呆了。”

用SLAC的“电子摄像机”记录下的强度模式向研究人员展示了二硫化钽晶体的原子结构是如何对激光闪光做出反应的，从(左)状态切换到(右)状态和(后)状态。利用强度模式重建原子结构。

Gedik团队的博士后研究员Anshul Kogar说：“畴壁是一个非常有趣的特征，因为它们的特性与其他材料不同。”例如，当二硫化钽暴露在超短光脉冲下时，它的电阻就会发生剧烈的变化，这是其他科学家先前就观察到的。

SLAC的科学家沈晓哲(音译)是研究小组的主要作者之一，他说:“UED允许我们详细分析这些结构域是如何随着时间的推移而形成的，有多大，以及是如何在材料中分布的。”

研究人员还发现，他们可以通过调整晶体的温度和光脉冲的能量来微调过程，进而控制材料开关。下一步，团队希望获得更多的调节，例如，通过塑造光脉冲的方式，在材料中生成特定的壁畴。

“事实上，我们可以用非常简单的方式来调整一种材料，这似乎是非常基本的，”王说。“事实上，这不仅是非常基本的，而且可能会成为我们使用光线创造想要的材料特性的重要一步。”

原文题目：Researchers switch material from one state to another with a single flash of light，原文来自：phys，由材料科技在线团队编译。