能帶結構的瞬時調控究竟是如何實現的？
研究組介紹，在非平衡態超快動力學和瞬時物態調控研究中，一個備受關注的重要研究方向是通過周期振蕩的勢場誘導量子物態的變化，進而實現對其電子結構的調控，該方案被稱為弗洛凱工程。
弗洛凱態的概念自20世紀初被提出後就引起了物理學家的廣泛關注，並被應用於凝聚態物理、冷原子物理和光晶格等領域。近十年來，弗洛凱瞬時能帶和物性調控已經發展成為國際上凝聚態物理和材料科學的一個重要科學前沿。然而，儘管理論方面湧現出豐富的預言，與之形成鮮明對比的是凝聚態體系中的實驗進展非常少。很多關鍵的科學問題，例如能否在具有電子和光電器件應用前景的半導體中實現能帶結構的瞬時調控，仍然有待實驗的證實。
周樹雲研究組多年來致力於低維量子材料的電子能譜和非平衡態超快動力學的研究，尤其是弗洛凱能帶及物態調控的實驗研究。由於弗洛凱調控要求激發光源具有低光子能量、強峰值電場等極端實驗條件，研究組針對領域難點投入了大量精力，攻克了中紅外強場脈衝激發光源以及與角分辨光電子能譜儀結合方面的困難，研製出具有前沿技術指標的超快時間分辨角分辨光電子能譜系統。
在材料體系方面，研究組巧妙地選取了黑磷這個具有小帶隙、高遷移率的經典半導體材料。通過精細調節中紅外激發光源的光子能量，研究組發現當光子能量與帶隙接近共振時，黑磷的電子結構從平衡態的拋物線形狀演化為在帶頂打開能隙的“墨西哥帽”形狀，並觀察到了復制的弗洛凱邊帶。
在研究其中的弗洛凱瞬時能帶調控時，研究組使用了類似“給電子拍電影”的方法：在飛秒尺度上去記錄它在光的激發下，從光到來之前、剛好到達時以及光離開以後整個動態過程中的關鍵時刻，從而觀察它是怎樣演化的。在此基礎上，他們通過系統性地探究該瞬時能隙對時間、光強和電子摻雜等變量的響應等，確認了所觀測到的瞬時能隙是由弗洛凱能帶工程所導致。
研究組還發現，黑磷中的弗洛凱能帶工程對激發光源的偏振具有強烈的選擇性：祗有當泵浦光偏振沿著黑磷的扶手椅型方向時，才會出現瞬時能隙，揭示出弗洛凱能帶工程調控具有特定的光學選擇定則。
研究者認為，這些研究結果不僅為弗洛凱能帶調控提供了重要的思路，同時，飛秒激光調控的迅速“開關”特點也為進一步探索拓撲物態、關聯物態（磁性、超導等）的瞬時調控奠定了重要基礎。此外，這一獨特的偏振選擇效應未來也有望應用於光學偏振相關的光電器件應用中。 |
