近期據外媒novuslight消息，德國弗裏茨·哈伯研究所和馬克斯·普朗克物質結構與(yu) 動力學研究所通過聯合研究發現，激光脈衝(chong) 可以讓材料特性發生超快轉換。未來，這一研究發現將開啟全新晶體(ti) 管研製的道路。

在當前的材料研究領域，盡可能提高電子技術的運算速度是核心問題，而快速計算技術的關(guan) 鍵組件是晶體(ti) 管。作為(wei) 邏輯運算中的基本步驟，電路開關(guan) 中的晶體(ti) 管控製著電流的瞬時開、關(guan) 。

為(wei) 了提高對理想晶體(ti) 管材料的了解，物理學家們(men) 一直在努力尋找新的方法來實現“極快開關(guan) ”。現在，德國研究人員通過運用激光技術，成功研製出一種新型的超快開關(guan) 。參與(yu) 該研究項目的科學家，試圖找到改變材料特性的最佳方式，例如使磁性金屬變得沒有磁性，或者改變晶體(ti) 的電導率。

飛秒激光脈衝(chong) 以前所未有的速度，驅動了半金屬晶體(ti) 中的電子躍遷（圖片版權：Sam Beaulieu博士）

幾十年來，控製電子排布始終是晶體(ti) 管研究領域的關(guan) 注焦點。但以前嚐試過的各種方式，在速度方麵還是沒能達到理想效果。弗裏茨·哈伯研究所物理化學係主任Ralph Ernstorfer表示：“我們(men) 知道諸如溫度或壓力變化之類的外部影響會(hui) 起到一定的作用，但其過程還是要花費至少幾秒鍾的時間，這對於(yu) 控製電流還是顯得太慢。”
對於(yu) 經常使用計算機和智能手機的人來說，幾秒的等待時間都顯得非常漫長。因此，Ralph Ernstorfer團隊的任務是通過使用激光脈衝(chong) ，讓材料的特性發生瞬時轉變。研究團隊使用了弗裏茨·哈伯研究所的激光脈衝(chong) 設備，通過向一種半金屬材料（包含了鎢和碲原子）發射超短脈衝(chong) 激光，成功將材料電子排列轉變的時間縮短至100飛秒。

研究人員發現，晶體(ti) 受到激光照射後，其內(nei) 部的電子結構會(hui) 迅速進行組合，這就實現了改變材料電導率的效果。團隊成員Samuel Beaulieu談到：“研究人員使用了一種新儀(yi) 器記錄材料特性轉變的整個(ge) 過程，這是一項了不起的研究成果。以往我們(men) 隻對材料穩定態的電子結構有所了解，這是首次觀測到材料電子結構的變化過程。”

費米麵概述圖

同時，研究團隊還對這種新工藝方法進行了建模，從(cong) 而揭示了材料特性實現瞬時轉變的原因。撞擊在材料上的激光脈衝(chong) ，能瞬時改變材料電子相互作用的方式。因此，激光脈衝(chong) 也是行業(ye) 熟悉的“Lifshitz transition”（費米麵拓撲相變）的原始驅動力。

費米麵
費米麵是最高占據能級的等能麵，是當T=0時電子占據態與(yu) 非占據態的分界麵。一般來說，半導體(ti) 和絕緣體(ti) 不用費米麵，而用價(jia) 帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理，其在單粒子能級上分布幾率，遵循費米統計分布。

在當前的固體(ti) 物理學中，對費米麵的構造沒有詳細闡述。費米麵附近的電子對金屬性質有重要影響，了解和掌握費米麵的構造是理解金屬中電子的物理特性的根本問題。

2016年諾貝爾物理學獎三位獲獎者素描像

拓撲相變
拓撲學是數學的一個(ge) 分支，主要研究內(nei) 容是幾何形狀在連續形變中所不改變的性質，研究的是“不連續”的特征。相變是指物質在外界條件發生連續變化時，從(cong) 一種“相”突然變成另一種“相”的過程。日常生活中，最常見的“相”是氣態、液態和固態。在一些極端條件下，比如在極高的溫度或極低的溫度下，會(hui) 出現很多奇異的狀態。

一般物質都是按照一定的規律排列的，比如冰是水分子按照網格排列起來形成的固態。物理學上，固態是一種“相”。冰加熱後就變成了液態水，那是另一種“相”。這時，水分子的排列依舊是有規律的，隻是發生了變化。從(cong) 固態的冰到液態的水，這樣的變化就可以稱為(wei) “相變”。

拓撲相變就是在兩(liang) 個(ge) 拓撲之間轉變，必須結合在一起成對地應用，不能單獨應用。想象一下，如果在你的浴缸裏，有兩(liang) 個(ge) 旋轉方向相反的水流，但是他們(men) 同時出現。拓撲相變就是描述成對結合到分離的拓撲激發的過程。2016年，諾貝爾物理學獎的三位獲得者，戴維·索利斯（David Thouless）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）和邁克爾·科斯特立茨（Michael Kosterlitz）對於(yu) 物理學中拓撲理論的運用在他們(men) 做出發現的過程中發揮了關(guan) 鍵性作用。

有關(guan) 拓撲學原理的基礎性研究，為(wei) “超級材料”的研發奠定了基礎。比如拓撲絕緣體(ti) 材料是一種邊界上導電，體(ti) 內(nei) 絕緣體(ti) 的新型量子材料。導電的邊界態由於(yu) 獨特的物理特性，在導電過程中不會(hui) 發熱。如果能將拓撲絕緣體(ti) 材料製成手機芯片，就有希望解決(jue) 手機在充電或長時間使用時的發燙問題。電從(cong) 發電廠到家庭用電的傳(chuan) 輸過程中，存在著大量損耗。如果采用超導材料或者拓撲絕緣體(ti) 材料，就能大幅降損耗，實現高效節能。