如果我們能像電影里的超級(jí)英雄一樣，操控時(shí)間或者讓材料在超短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生“變形”，世界會(huì)不會(huì)變得完全不同？我國科研團(tuán)隊(duì)正在探索一種獨(dú)特的“魔法”：通過光，特別是超高速的太赫茲光來操控和創(chuàng)造全新的材料狀態(tài)。

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一種自帶“記憶”的堅(jiān)固材料

給你一支魔杖，能把杯子里的水變成冰，再晃一下就能把冰恢復(fù)成水的形態(tài)，聽起來不像三次元的事，但這種能操控水分子的技術(shù)還真有。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心最近聯(lián)合清華大學(xué)、南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在一種拓?fù)滂F電材料中，實(shí)現(xiàn)了類似的奇跡。他們用的“魔杖”是超強(qiáng)太赫茲光脈沖，而材料被“喚醒”的隱藏狀態(tài)，則是一種擁有宏觀電極性的新物態(tài)。

超高速的太赫茲光可以操控和創(chuàng)造全新的材料狀態(tài)

先來理解一下“拓?fù)滂F電材料”是什么。

分開來看，“拓?fù)洳牧稀钡奶貏e之處在于它們的電子結(jié)構(gòu)，像是有保護(hù)層，使得材料的表面或邊界電子行為不同于內(nèi)部。

這種結(jié)構(gòu)賦予了它們一些非常有趣的物理特性，比如材料邊緣的電子可以在材料表面不受干擾地自由流動(dòng)，像是高鐵在軌道上飛馳。

至于“鐵電材料”，指的其實(shí)是材料的鐵電性，大多數(shù)鐵電材料并不含有鐵。普通的鐵磁材料在磁場中可以被磁化，而鐵電材料在電場中擁有“記憶”并能保持電極化的狀態(tài)。

簡單來說，鐵電材料有“記憶力”，它們能夠記錄并保持電場的痕跡。當(dāng)鐵電性和拓?fù)洳牧系奶匦越Y(jié)合時(shí)，就誕生了拓?fù)滂F電材料。

傳統(tǒng)的鐵電性單元就像一根容易被碰倒的牙簽，雖然能記錄電場信息但不夠穩(wěn)定。而拓?fù)滂F電材料則像是把信息記錄在了一個(gè)結(jié)實(shí)的“電子旋渦”中，由于“旋渦”本身很穩(wěn)固，所以它記錄的信息也就更抗干擾、更可靠。同時(shí)它還能利用其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同的狀態(tài)間切換。

02

太赫茲“光錘”敲出隱藏狀態(tài)

那么科學(xué)家們是如何在拓?fù)滂F電材料中發(fā)現(xiàn)一個(gè)隱藏的極性狀態(tài)的呢？這就要靠一個(gè)特殊的高頻率光的力量了。

這個(gè)“光”就是超強(qiáng)太赫茲光（THz）脈沖。太赫茲輻射介于微波和紅外線之間，具有很高的頻率。它不像可見光那樣容易被我們?nèi)庋劭吹?，但卻能穿透許多材料，帶來非常獨(dú)特的探測和控制能力。

太赫茲輻射的波段表示

這是因?yàn)椋掌澼椛渌诘念l率恰好是很多分子、原子集體振動(dòng)的頻率，因此也被譽(yù)為“物質(zhì)的指紋”。

當(dāng)研究人員將太赫茲輻射增強(qiáng)到極高地步，形成脈沖極短的“光錘”，它就能以強(qiáng)大的電場力在極短的時(shí)間內(nèi)，精準(zhǔn)地“敲擊”拓?fù)滂F電材料，讓它們按照我們的意愿集體運(yùn)動(dòng)，也可以說在瞬間改變了它們的狀態(tài)。就像紛亂的自習(xí)室，突然來了班主任，所有學(xué)生立刻排排坐好。

就在這短短的幾皮秒（萬億分之一秒）內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前拓?fù)滂F電材料被隱藏的“瞬態(tài)極性相”。

03

為超高速芯片埋下種子

這個(gè)“隱藏的極性相”到底是什么呢？其實(shí)，它是材料在特定條件下展現(xiàn)出來的全新電性狀態(tài)。

“光錘”能瞬間改變材料的極性相

要解釋這個(gè)在時(shí)間上非常短暫、、，幾乎一閃而過的極性相比較復(fù)雜，我們先討論一下激發(fā)這種“隱藏身份”有什么現(xiàn)實(shí)作用。

首先就是研究者們能通過激發(fā)這種瞬態(tài)的極性狀態(tài)，更精確地控制材料的電學(xué)行為。如果我們能在極短的時(shí)間內(nèi)切換和控制材料的電極化狀態(tài)，就能在極低能耗下快速存儲(chǔ)和讀取信息，也就是說，瞬態(tài)極性狀態(tài)為未來的超高速存儲(chǔ)器和邏輯元件開辟了新的可能。

其次是為量子計(jì)算提供了更多材料選擇。量子計(jì)算本就依賴于量子比特的快速操作，而這種超快極性調(diào)控可能為量子比特提供新的材料基礎(chǔ)，特別是這種短暫極性狀態(tài)可以為量子態(tài)提供更多的操控自由度，從而提升量子信息處理的效率和穩(wěn)定性。

總的來說，這項(xiàng)研究打破了我們對(duì)鐵電材料穩(wěn)定性的傳統(tǒng)認(rèn)知，展示了它們在超快時(shí)間尺度上的新行為，這不僅拓展了我們對(duì)物質(zhì)的理解，也為未來更高效、更智能的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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