量子材料太赫兹调控方法综述

量子材料是实现量子计算、量子通信、量子传感的重要工具，是当今材料科学领域的前沿，其独特的电子相关性和量子相干性使其成为科学家们和工程师们的焦点。这些材料在高温超导、拓扑绝缘体、自旋电子学和量子计算等领域展现出巨大的应用潜力。然而，要充分发挥这些材料的潜力，需要深入研究它们的非平衡动力学，而太赫兹光谱学正是实现这一目标的有力工具。非平衡测量可以在时间和空间上表征这些相互作用，激发后的弛豫过程的时间演变揭示了电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的基本相关性。这些相互作用的能量尺度位于太赫兹（THz）范围内，使THz辐射不仅成为有效的探针，而且可能成为非平衡扰动和操控的理想工具。

鉴于此，近日来自瑞士ETH的Manfred Fiebig教授以及印度布巴内斯瓦尔国家科学教育与研究学院的Shovon Pal教授共同领导的研究团队在Nature Reviews Materials上以Terahertz control of many-body dynamics in quantum materials为题发表综述文章，概述了如何利用THz光使量子材料脱离平衡，并获取有关相关过程和多体动态的信息。特别是，文章分析了THz光如何在层状超导体中诱发类似超导的特征，以及如何将重费米子系统中的准粒子推向非平衡态，这对量子材料的太赫兹调控领域具有重要指导意义。

图1. 太赫兹与量子材料的相互作用。

图源： Nat Rev Mater   8 , 518–532 (2023).    

量子材料是当今材料科学领域的一颗璀璨明珠，它们的发现和研究引领着未来科技的发展方向。这些特殊的材料不仅挑战了我们对物质行为的传统认知，还展现出了潜在的革命性应用，如高温超导体、量子计算和量子通信。本文将深入探讨量子材料的定义、性质、制备方法以及前沿应用领域，以揭示这个令人兴奋的领域的奥秘。

量子材料是一类材料，其物理性质受到量子力学效应的显著影响，超越了传统经典物理的范畴。它们通常表现出高度的电子相关性和量子相干性，这些特性使得它们在低温、高磁场等极端条件下表现出非凡的性能。量子材料的定义已经逐渐演化，现在它通常被用作一个涵盖所有受到量子效应影响的材料的统一术语，包括但不限于高温超导体、重费米子材料、铁磁体、铁电体、多铁体、Weyl半金属和拓扑材料。

量子材料的一个显著特征是电子相关性的存在。在传统的金属和半导体中，电子通常被视为非相互作用的自由粒子。然而，在量子材料中，由于电子之间的强烈相互作用，这种简单的模型不再适用。电子的强相关性导致了一系列新奇的现象，如高温超导、量子自旋液体和Mott绝缘体。这些现象的理解和控制对于材料科学和应用具有重要意义。

量子材料还表现出量子相干性，这是一种在微观尺度上出现的奇特现象。量子相干性意味着在材料中的粒子（如电子或光子）可以同时存在于多个态中，而不是仅仅处于一个确定的态。这种现象在量子计算和量子通信等领域具有巨大潜力，因为它可以用于执行超越经典计算机的任务。

高温超导性是量子材料中最引人注目的性质之一。传统的超导体需要极低的温度才能展现超导性，而高温超导体在相对较高的温度下就能实现零电阻状态。这一性质的发现引发了对能源输送和储存的革命性研究，以及超导电子学领域的迅速发展。

拓扑材料是量子材料中的一类特殊材料，它们具有独特的拓扑性质。这些材料的电子能带结构在拓扑不变性的保护下表现出非常稳定的边缘态，这些边缘态具有一系列奇特的性质，如量子自旋霍尔效应和量子螺旋霍尔效应。拓扑材料在量子计算和量子通信中有广泛的应用前景。    

量子自旋液体是一种特殊的量子相，它们在低温下表现出奇特的自旋结构。这些材料的自旋自由度在量子涨落的作用下不会形成传统的有序磁性状态，而是形成一种液体态。量子自旋液体具有独特的激发行为，对于研究量子相变和拓扑态具有重要意义。

高压合成是制备量子材料的重要方法之一。通过将材料置于极高的压力下，可以实现新的相变和性质的调控。这种方法已经成功用于合成高温超导体和拓扑材料等量子材料。

化学合成是制备量子材料的常见方法，尤其是有机量子材料。通过精确控制化学反应条件，可以合成具有特定结构和性质的材料。这种方法已经成功用于制备有机超导体和拓扑绝缘体等材料。外延生长是一种用于制备薄膜材料的重要方法。通过在晶体基底上沉积原子层，可以实现对材料的精确控制。

图2. 光致超导现象。

图源： Nat Rev Mater   8 , 518–532 (2023).      

由于量子材料的多体性质，对于理解支配它们基态的相互作用的微观理解对于控制它们的动态至关重要。

高温超导体一直是量子材料领域中备受瞩目的焦点之一。传统的超导体在极低温度下才能展现出超导状态，这限制了它们在实际应用中的范围。然而，高温超导体却改变了这一局面，它们可以在相对较高的温度下实现零电阻状态，这一突破为量子材料领域带来了巨大的希望和机遇。本文将深入探讨高温超导体的研究，以及太赫兹光谱学如何为我们提供了解高温超导体非平衡动力学的关键工具。

传统超导体，如铅和汞，需要极低的温度（接近绝对零度）才能实现超导状态。这种低温限制了它们在实际应用中的使用，因为维持如此低的温度通常需要昂贵的冷却设备。然而，高温超导体，如YBCO（钇钡铜氧化物）和BSCCO（铋钡钡钡铜氧化物），具有极高的临界温度，可以在液氮温度范围内实现超导状态。这一突破极大地拓宽了超导材料的应用领域，使其成为可能的量子设备的理想候选。

高温超导体之所以能够在相对高温下实现超导状态，与其电子结构和电子相关性有关。在这些材料中，电子之间的强相关性导致了一种新的电子态，被称为“库铂对”。这种电子对能够在较高温度下形成，从而实现超导。这与传统超导体中的电子对形成机制不同，后者通常需要极低的温度。

太赫兹光谱学是研究高温超导体非平衡动力学的重要工具之一。通过使用强烈的太赫兹脉冲，研究人员可以在超快时间尺度上改变高温超导体的性质，甚至将其超过热力学转变温度。这一能力为研究人员提供了独特的机会，以深入了解高温超导体的行为和性质。

高温超导体的一个令人兴奋的应用是超导开关。通过使用太赫兹脉冲，研究人员可以在超快时间尺度上将高温超导体转变为超导态，即使在它们的临界温度以上。这为量子设备的制备提供了新的可能性，因为这些设备可以在需要时快速切换到超导态，从而实现更高的性能和速度。    

尽管高温超导体已经取得了重大突破，但仍然存在许多未解之谜。太赫兹光谱学为研究人员提供了一种方法，可以深入研究这些未解之谜。例如，对高温超导体中的假隙相位的微观理解仍然缺乏。通过使用太赫兹光谱学，可以研究超导态的动态性质，以揭示假隙相位形成的机制。此外，对于奇怪金属行为的微观理解也是一个未解之谜。通过探测电子相关性的激发动力学，可以了解导致奇怪金属行为的机制。

图3. 准粒子在皮秒尺度的动力学演化。    

图源： Nat Rev Mater   8 , 518–532 (2023).            

此外，拓扑材料是量子材料中的一类特殊材料，其电子能带结构具有拓扑不变性。这些材料的边缘态在拓扑不变性的保护下表现出极高的稳定性，这对于微电子设备和自旋电子学领域具有潜在应用。太赫兹光谱学可以用来瞬时驱动拓扑保护的表面态中的无惯性电荷电流，为制备具有前所未有相干长度的微电子设备提供了途径。这包括自旋电子学设备，其速度可达纳秒或飞秒级别，以及拓扑开关。

量子材料中的一类磁性材料在太赫兹光谱学的作用下表现出磁序的对称性和手性的可切换性。这具有提升未来高效设备性能的潜力。太赫兹光谱学可以用来切换这些材料中的磁序，从而探索新型磁性设备的可能性。

太赫兹光谱学不仅可以用于材料的激发和驱动，还可以直接探测量子多体动力学演化过程。这为研究材料中的能量竞争和相变提供了前所未有的洞察力。通过观察准粒子的量子多体动力学，研究人员可以深入了解材料中不同相之间的相互作用。

太赫兹光谱学的非平衡调控方法为量子材料领域带来了新的机会和挑战。通过超快太赫兹脉冲的应用，我们能够瞬时改变材料的性质，探索新的相和现象。这些研究不仅有助于我们更好地理解量子材料的行为，还有望在量子计算、自旋电子学和材料科学领域带来革命性的进展。量子材料太赫兹调控方法的综述为未来研究提供了有力的指导，我们期待着看到这一领域的进一步发展和突破。

参 考文献： Yang, CJ., Li, J., Fiebig, M.  et al.  Terahertz control of many-body dynamics in quantum materials.  Nat Rev Mater   8 , 518–532 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41578-023-00566-w