物理學家用光創造了一種新的物質狀態
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如果將一束光照射到某種材料上，然後這種材料就形成了一種新的物質狀態，那是一種怎樣的景象？通常來說，我們通過利用化學變化、改變壓力或磁場來改變某種材料的相。但在一項新的研究中，物理學家利用光做到了這一點。
我們知道，對任何材料來說，給它增添能量（例如加熱），幾乎都能使材料結構的有序性變得更低。以水為例，它的固體冰狀態是具有晶體結構的，而當我們將它加熱融化成液態的水之後，它就完全變成了無序狀態。
而就在這項新的研究中，物理學家發現了正好相反的情況：當一種名為三碲化鑭（LaTe?）的材料被激光短脈衝擊中時，材料中的一種名為電荷密度波的模式就會以一種高度有序的狀態變成一種全新的電荷密度波，這與預期中會變成無序狀態完全相反。這一意外的發現或許能有助於揭示各種材料中的一些不為人知的特性。
○ 由激光誘發的電荷密度波的藝術構想圖：波狀網格表示的是材料的晶格因為電荷密度波的形成而產生的扭曲，藍色的發光小球代表光子。圖片的中央是原來的電荷密度波，它被一個激光脈衝波所抑制，新的電荷密度波以垂直於它的方向出現。| 圖片來源：Alfred Zong / MIT
參與了這項研究的17位物理學家將他們的發現發表在了11月11日的《自然物理》雜誌上。
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三碲化鑭是一種能自然形成分層結構的材料。這種材料具有一種特殊的特性，當它被冷卻到某個特定溫度以下時，電子就會自發地將自己組織成一個電荷密度高低相間的電荷密度波。這有別於普通材料的電子密度在整個體積中是恆定的現象。不過在三碲化鑭內部，這種電荷密度的波狀模式也僅限於沿著一個單一方向。在另外兩個維度中，電荷密度就像在普通材料中那樣維持不變。
但是，當用一個超快的激光短脈衝（不到一皮秒）撞擊三碲化鑭時，這種電荷密度波的模式就會消失，而一個與原來的電荷密度波成直角的新的電荷密度波就會出現。
過去，人們從未發現這種材料具有這種新的、垂直的電荷密度波。研究人員觀測到，這種垂直的電荷密度波在激光之後短暫地存在，在幾皮秒（10?12秒）的時間內就會消失。當它消失時，原來的電荷密度波又會再次出現在視野中。這表明在某種程度上看，在與激光的相互作用中，原來的電荷密度波被新的壓制住了。
研究人員認為這很不尋常——因為在大多數情況下，當給一種材料增加能量時，它的有序性會降低。而看上去，這兩種電荷密度波就像是在相互競爭——當一種出現時，另一種就消失。他們意識到，這一現象中最重要的概念，或許就是「相的競爭」。
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在量子材料中，認為物質的兩種可能的相或許處於一種競爭狀態，且其主導態會抑制另一種或另外幾種態的觀點是很普遍的。這表明，如果能找到一種抑制主導態的方法，那麼在許多物質中可能都潛藏著未被發現的潛在態。
實驗中所出現的這些相互競爭的電荷密度波所表現出的似乎就是這樣一種情況。研究人員將這些電荷密度波類比為晶體結構，因為都具有可預測的有序模式。
通常，所有穩定的材料都處於它們的最低能量狀態，也就是說，在它們的原子和分子的所有可能構型中，它們處在的是只需要最低能量就能維持自身的一種狀態。
但是對於一個既定的化學結構來說，這種物質的其他構型可能也具有最低能狀態，只是它們或許被佔主導地位的最低能態所抑制住了。
就像在這個實驗中所展現的那樣，通過用激光消除主導態，其他態便開始顯現。即便新狀態的出現和消失速度都非常快，但這意味著，這種狀態是可以通過操控而被「打開」或「關閉」的。這樣一種特性對某些信息處理應用程序來說或許非常有用。
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對其他相的抑制或許能揭示出全新的材料特性，為許多新的研究領域打開大門。研究人員要做的是要找到只能在平衡狀態被打破的情況下存在的物質的相。換句話說，他們需要找到能夠壓制住物質中主相的方法，才能「解鎖」新的狀態，比如在這個實驗中使用的是激光短脈衝與三碲化鑭之間的作用。
新的發現或許有助於更好地理解多相競爭在其他系統中的作用。這反過來又有助於去探尋一些問題，比如為什麼有的材料可以在相對較高的溫度下產生超導性，它也可以幫助我們探索並發現具有更高溫度的超導體。
參考來源：
http://news.mit.edu/2019/light-orders-exotic-material-1111
