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想象一下，窗戶可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殓R子，或者超高速計(jì)算機(jī)不是靠電子而是靠光來(lái)運(yùn)行。這些只是光學(xué)工程可能出現(xiàn)的一些潛在應(yīng)用，光學(xué)工程是利用激光快速和暫時(shí)改變材料屬性的做法。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授謝漢強(qiáng)(David Hsieh)說(shuō)：“這些工具可以讓你在按下電燈開(kāi)關(guān)時(shí)改變材料的電子特性。但是這些技術(shù)一直受到激光器在材料中產(chǎn)生過(guò)多熱量問(wèn)題的限制。”
在《自然》雜志的一項(xiàng)新研究中，謝漢強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)，包括主要作者和研究生單俊義(音譯)，報(bào)告了在不產(chǎn)生任何多余的破壞性熱量的情況下，成功地使用激光來(lái)大幅雕琢材料的特性。
單俊義說(shuō)：“這些實(shí)驗(yàn)所需的激光器非常強(qiáng)大，所以很難不加熱和損壞材料。一方面，我們希望材料受到非常強(qiáng)烈的激光照射。另一方面，我們不希望材料完全吸收這些光。”
單俊義表示，該團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的“甜區(qū)”，激光的頻率被微調(diào)，以明顯改變材料的特性，而不產(chǎn)生任何不必要的熱量。
科學(xué)家們還說(shuō)他們找到了一種理想的材料來(lái)證明這種方法。這種材料是一種叫做三硫磷化錳的半導(dǎo)體，在廣泛的紅外頻率范圍內(nèi)自然只吸收少量的光。在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用強(qiáng)烈的紅外激光脈沖，每個(gè)脈沖持續(xù)約10-13秒，以迅速改變材料內(nèi)部電子的能量。結(jié)果，對(duì)于某些顏色的光，該材料從高度不透明的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨韧该鞯臓顟B(tài)。
研究人員說(shuō)，更關(guān)鍵的是，這個(gè)過(guò)程是可逆的。當(dāng)激光關(guān)閉時(shí)，該材料立即回到其原始狀態(tài)，完全沒(méi)有受到影響。如果材料吸收了激光并發(fā)熱，這是不可能的，因?yàn)椴牧闲枰荛L(zhǎng)時(shí)間來(lái)散熱。新工藝中使用的無(wú)熱操作被稱(chēng)為"相干光學(xué)工程"。
該方法之所以有效，是因?yàn)楣飧淖兞税雽?dǎo)體中電子的能級(jí)差異(稱(chēng)為帶隙)，而沒(méi)有將電子本身“踢”到不同的能級(jí)，而這正是產(chǎn)生熱量的原因。
“這就像你有一艘船，然后一個(gè)大浪襲來(lái)，大力地將船上下?lián)u晃，卻沒(méi)有導(dǎo)致任何乘客掉下來(lái)，”謝漢強(qiáng)解釋說(shuō)。“我們的激光正在大力搖動(dòng)材料的能級(jí)，這改變了材料的特性，但電子卻保持原狀。”
研究人員以前曾設(shè)想過(guò)這種方法將如何工作。例如，在20世紀(jì)60年代，加州理工學(xué)院校友Jon H. Shirley提出了關(guān)于如何在光的存在下解決材料中電子能級(jí)的數(shù)學(xué)想法。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，謝漢強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的理論家葉孟興(音譯)和Leon Balents合作，計(jì)算了激光照射在三硫磷化錳中的預(yù)期效果。謝漢強(qiáng)說(shuō)，該理論以"非凡的"精度與實(shí)驗(yàn)相匹配。
謝漢強(qiáng)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)意味著其他研究人員現(xiàn)在有可能利用光來(lái)人工創(chuàng)造材料，例如奇異的量子磁鐵，否則這些材料很難甚至不可能自然創(chuàng)造。
單俊義說(shuō)：“原則上，這種方法可以改變材料的光學(xué)、磁性和許多其他屬性。這是一種從事材料科學(xué)的替代方式。與其制造新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的特性，我們可以只用一種材料，并最終賦予它廣泛的有用特性。”
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