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科学家利用激光让晶体内部电极化瞬间有序 持续仅一万亿分之一秒
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- 荷鲁斯快报
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美国奥本大学物理学家发现，短暂激光脉冲能够在特定晶体内部诱导出有序的电极化状态，即使材料处于较高温度、内部微小极化区域通常杂乱无章时也能实现。这一发现为研究材料内部极快的电学变化提供了新方法，未来可能有助于探索超高速信息处理与存储技术。相关成果已发表于《Physical Review Letters》。
这项研究聚焦于经过改性处理的钛酸锶单晶。该材料中的电子能够移动，同时内部存在大量具有正负电荷分布不对称性的微小极化区域，研究人员称之为“极性纳米区域”。在常规情况下，温度变化会影响这些区域的排列状态：晶体冷却时，原本朝向各异的区域会逐渐呈现更有规律的取向；温度较高时，它们则往往较为无序。科学家长期争论，这种有序状态究竟由原子协同位移形成，还是晶体内部原本就存在极化区域、只是在降温过程中逐渐排列整齐。
由于极化区域尺寸极小、信号微弱，区分上述解释并不容易。奥本大学研究团队由物理学家温灿·金领导，研究生穆罕默德·坎迪尔参与了核心实验，日本产业技术综合研究所的研究人员负责生长实验所需晶体样品。团队建立了一套高灵敏度激光测量系统，并花费近一年时间改进设备，以捕捉晶体内部极其微弱的光学信号。研究人员通过观察晶体对入射光的响应，追踪极化区域在反复升温和降温过程中的取向变化。
测量结果显示，较高温度下极化区域方向较为分散；随着温度降低，它们逐渐表现出更明显的优选取向。这为一种重要解释提供了有力证据：极化区域可能在排列变得有序之前就已经存在，而降温过程主要改变了它们的排列方式。研究人员并未止步于观察温度变化，而是进一步尝试利用激光直接控制这些极化区域，让原本无序的电极化状态在极短时间内转变为有序状态。
关键突破出现在2025年。研究人员观察到，激光照射能够促使晶体内部原本方向各异的极化区域迅速排列起来。由光诱导产生的有序状态只持续了约1皮秒，也就是一万亿分之一秒，随后便迅速消失。尽管持续时间极短，研究人员仍能通过光学测量检测到这一变化。这意味着，激光不仅能够影响材料内部的电学状态，还可以在极短时间内建立一种可被测量的有序结构。
这种现象为科学家提供了一种研究材料内部超快电学行为的新工具。传统材料调控方式通常依靠温度、电场或其他相对缓慢的外部条件，而激光脉冲能够在极短时间内改变材料状态，让研究人员观察到常规实验手段难以捕捉的瞬态过程。研究人员认为，这一发现未来可能与超高速信息处理和存储技术有关；如果能够进一步理解如何利用光脉冲建立、读取并控制材料中的有序状态，就有机会探索以光作为控制手段的新型电子器件。
不过，目前的实验并不意味着研究团队已经制造出能够实际工作的超高速存储器或处理器。激光诱导的有序状态只能维持约1皮秒，如何延长其持续时间、实现稳定而可重复的控制，并将其集成到实际器件中，仍是需要解决的问题。这项研究成果于2026年10月14日发表在《Physical Review Letters》期刊上，论文题为《量子铁电金属跨越有序—无序相变的光学极化控制》。研究为理解晶体内部极化区域的形成与排列提供了新证据，也展示了利用光脉冲操控材料电学状态的可能性。
