洛桑联邦理工学院的研究人员发现，通过用不同波长(颜色)的光照射一种叫做磁铁矿的材料，他们可以改变其状态，例如使其更有利于或更不利于电。这一发现可能带来设计新材料的新方法，用于电子产品，如存储器、传感器和其他依赖快速高效材料响应的设备。
“前段时间，我们展示了在磁铁矿中诱导逆相变的可能性，”EPFL 物理学家 Fabrizio Carbone 说道。“这就像你拿水，然后用激光将能量注入其中，使它变成冰。这是违反直觉的，因为通常要冻结水，你需要冷却它，也就是从中去除能量。”
现在，卡博内领导了一项研究项目，旨在阐明和控制磁铁矿在光诱导相变过程中的微观结构特性。
研究发现，利用特定光波长进行光激发，系统可以将磁铁矿带入不同的非平衡亚稳态(“亚稳态”意味着该状态可以在某些条件下改变)，称为“隐藏相”，从而揭示出一种在超快时间尺度上纵材料特性的新协议。
该研究结果可能影响电子产品的未来，发表在美国国家科学院院刊上。
什么是“非平衡状态”?“平衡状态”基本上是一种稳定状态，材料的特性不会随时间而变化，因为材料内部的力是平衡的。当这种平衡状态被破坏时，材料(从物理学上准确来说是“系统”)就进入了非平衡状态，表现出近乎奇异和不可预测的特性。
磁铁矿的“隐藏相”
相变是由于温度、压力或其他外部条件的变化而导致的材料状态变化。一个常见的例子是水在沸腾时从固态冰变成液态或从液态变成气态。
材料中的相变通常在平衡条件下遵循可预测的路径。但当材料失去平衡时，它们会开始显示所谓的“隐藏相”——通常无法获得的中间状态。观察隐藏相需要先进的技术，这些技术可以捕捉材料结构的快速和微小变化。
磁铁矿 (Fe 3 O 4 ) 是一种研究较为深入的材料，因其在低温下有趣的金属到绝缘体的转变而闻名——从能够导电到主动阻断电流。这被称为 Verwey 转变，它会显著改变磁铁矿的电子和结构特性。
由于其晶体结构、电荷和轨道序的复杂相互作用，磁铁矿可以在 125 K 左右发生这种金属-绝缘体转变。
超快激光在磁铁矿中引发隐藏跃迁
“为了更好地理解这一现象，我们做了一个实验，直接观察了这种转变过程中发生的原子运动，”卡博内说。“我们发现激光激发会使固体进入一些在平衡条件下不存在的不同阶段。”
实验使用了两种不同波长的光：近透视 (800 nm)和可见光(400 nm)。当用 800 nm 光脉冲激发时，磁铁矿的结构被破坏，形成金属和绝缘区域的混合。相比之下，400 nm光脉冲使磁铁矿成为更稳定的绝缘体。
为了监测激光脉冲引起的磁铁矿结构变化，研究人员使用了超快电子衍射，这种技术可以在亚皮秒时间尺度上(一皮秒是万亿分之一秒)“看到”材料中原子的运动。
该技术使科学家能够观察到不同波长的激光实际上是如何在原子尺度上影响磁铁矿的结构的。
磁铁矿的晶体结构是所谓的“单斜晶格”，其中晶胞形状像一个倾斜的盒子，具有三个不相等的边缘，其中两个角为 90 度，而第三个角则不同。
当 800 nm 的光照在磁铁矿上时，它会导致磁铁矿的单斜晶格快速压缩，使其转变为立方体结构。这个过程分三个阶段进行，耗时 50 皮秒，表明材料内部发生了复杂的动态相互作用。相反，400 nm 的可见光会导致晶格膨胀，从而强化单斜晶格，并形成更有序的相 — 稳定的绝缘体。
基本含义和技术应用
研究表明，磁铁矿的电子特性可以通过选择性使用不同的光波长来控制。了解这些光诱导跃迁可以为强关联系统的基础物理提供宝贵的见解。
研究人员写道：“我们的研究开辟了利用定制光子脉冲在超快时间尺度上控制物质的新方法。”
能够诱导和控制磁铁矿中的隐藏相可能对先进材料和设备的开发具有重要意义。例如，能够快速高效地在不同电子状态之间切换的材料可用于下一代计算和存储设备。
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