太赫茲光秒變“魔法棒”，我國團隊喚醒物質未知形態

如果我們能像電影里的超級英雄一樣，操控時間或者讓材料在超短的時間內發生“變形”，世界會不會變得完全不同？我國科研團隊正在探索一種獨特的“魔法”：通過光，特別是超高速的太赫茲光來操控和創造全新的材料狀態。

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一種自帶“記憶”的堅固材料

給你一支魔杖，能把杯子里的水變成冰，再晃一下就能把冰恢復成水的形態，聽起來不像三次元的事，但這種能操控水分子的技術還真有。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心最近聯合清華大學、南京大學的研究團隊，在一種拓撲鐵電材料中，實現了類似的奇跡。他們用的“魔杖”是超強太赫茲光脈沖，而材料被“喚醒”的隱藏狀態，則是一種擁有宏觀電極性的新物態。

超高速的太赫茲光可以操控和創造全新的材料狀態

先來理解一下“拓撲鐵電材料”是什么。

分開來看，“拓撲材料”的特別之處在于它們的電子結構，像是有保護層，使得材料的表面或邊界電子行為不同于內部。

這種結構賦予了它們一些非常有趣的物理特性，比如材料邊緣的電子可以在材料表面不受干擾地自由流動，像是高鐵在軌道上飛馳。

至于“鐵電材料”，指的其實是材料的鐵電性，大多數鐵電材料并不含有鐵。普通的鐵磁材料在磁場中可以被磁化，而鐵電材料在電場中擁有“記憶”并能保持電極化的狀態。

簡單來說，鐵電材料有“記憶力”，它們能夠記錄并保持電場的痕跡。當鐵電性和拓撲材料的特性結合時，就誕生了拓撲鐵電材料。

傳統的鐵電性單元就像一根容易被碰倒的牙簽，雖然能記錄電場信息但不夠穩定。而拓撲鐵電材料則像是把信息記錄在了一個結實的“電子旋渦”中，由于“旋渦”本身很穩固，所以它記錄的信息也就更抗干擾、更可靠。同時它還能利用其獨特的拓撲結構在不同的狀態間切換。

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太赫茲“光錘”敲出隱藏狀態

那么科學家們是如何在拓撲鐵電材料中發現一個隱藏的極性狀態的呢？這就要靠一個特殊的高頻率光的力量了。

這個“光”就是超強太赫茲光（THz）脈沖。太赫茲輻射介于微波和紅外線之間，具有很高的頻率。它不像可見光那樣容易被我們肉眼看到，但卻能穿透許多材料，帶來非常獨特的探測和控制能力。

太赫茲輻射的波段表示

這是因為，太赫茲輻射所在的頻率恰好是很多分子、原子集體振動的頻率，因此也被譽為“物質的指紋”。

當研究人員將太赫茲輻射增強到極高地步，形成脈沖極短的“光錘”，它就能以強大的電場力在極短的時間內，精準地“敲擊”拓撲鐵電材料，讓它們按照我們的意愿集體運動，也可以說在瞬間改變了它們的狀態。就像紛亂的自習室，突然來了班主任，所有學生立刻排排坐好。

就在這短短的幾皮秒（萬億分之一秒）內，研究團隊發現了一個之前拓撲鐵電材料被隱藏的“瞬態極性相”。

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為超高速芯片埋下種子

這個“隱藏的極性相”到底是什么呢？其實，它是材料在特定條件下展現出來的全新電性狀態。

“光錘”能瞬間改變材料的極性相

要解釋這個在時間上非常短暫、、，幾乎一閃而過的極性相比較復雜，我們先討論一下激發這種“隱藏身份”有什么現實作用。

首先就是研究者們能通過激發這種瞬態的極性狀態，更精確地控制材料的電學行為。如果我們能在極短的時間內切換和控制材料的電極化狀態，就能在極低能耗下快速存儲和讀取信息，也就是說，瞬態極性狀態為未來的超高速存儲器和邏輯元件開辟了新的可能。

其次是為量子計算提供了更多材料選擇。量子計算本就依賴于量子比特的快速操作，而這種超快極性調控可能為量子比特提供新的材料基礎，特別是這種短暫極性狀態可以為量子態提供更多的操控自由度，從而提升量子信息處理的效率和穩定性。

總的來說，這項研究打破了我們對鐵電材料穩定性的傳統認知，展示了它們在超快時間尺度上的新行為，這不僅拓展了我們對物質的理解，也為未來更高效、更智能的技術奠定了基礎。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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