2026年6月15日——如何在不接触材料的情况下，瞬间将其从电绝缘体转变为导电状态？利用超快激光脉冲和强大的 X 射线，美国能源部布鲁克海文国家实验室国家同步辐射光源 II（NSLS-II，美国能源部科学办公室用户设施）的科学家们开发出一种方法，能够生成“隐藏”相并理解其工作原理。这项研究不仅揭示了一种隐藏的物质状态及其基本相互作用，还为未来电子学和量子技术控制材料指明了新方向。相关成果近日发表在《物理评论 X》上。

该研究的核心是一类名为磁电阻锰氧化物的有趣量子材料。在适当条件下，其性质和行为会因外部刺激而彻底改变。在本研究中，研究团队使用了持续 100 飞秒（一千万亿分之一秒）的短激光脉冲，将材料从电流无法流动的绝缘态“切换”为导电态。

“这种切换机制非常快，远快于我们现有的任何电子设备，”软非弹性 X 射线散射（SIX）线站的科学家 Jonathan Pelliciari 表示，“不过，我们使用的不是电极或电流，而是光。”

虽然此前已有研究表明，用光照射某些材料可触发此类转变，但材料内部究竟发生了什么、以及为何会发生，在很大程度上仍不清楚。为解答这些问题，研究团队在 SIX 线站采用了两种互补的 X 射线技术：共振非弹性 X 射线散射（RIXS）和 X 射线吸收光谱（XAS）。激光脉冲触发变化的同时，X 射线在微观层面探测材料，揭示其电子结构的演化过程。结合原位输运测量，这些工具表明，光驱动材料进入一种此前无法达到的非热导电态，这种状态不同于传统加热产生的金属相。由于该相无法通过普通热过程达到，研究人员将其描述为“隐藏”相。

踏入量子领域

更令人感兴趣的是，这种光诱导状态并不会立即消失。相反，它在激光脉冲结束后仍然持续存在，这表明它具有更基础的热力学稳定性特性。一旦切换材料，这种状态会保持一段时间，直到施加另一种外部刺激使其恢复原状。这种切换并保持材料处于新状态的能力，暗示了其在数据存储或计算中的应用前景——在这些领域中，信息通过不同的物理状态进行编码。这项研究还与日益发展的量子信息科学领域相关联，该领域旨在通过开发量子比特来利用不寻常的量子特性，从而制造更快、更强大的计算机和设备——量子比特是一种量子系统，需要两种不同的物理状态，并可被触发按需切换。

“与传统基于热循环或静电场、磁场的方法相比，光为切换量子材料提供了一种更直接、更具选择性的途径，”本工作的第一作者、非弹性 X 射线散射（IXS）线站的科学家 Shiyu Fan 表示，“激光并非简单地加热样品，而是能将系统驱动到一种独特的非热状态。在保持材料相关量子特性的同时控制其相变，对于未来的量子器件设计可能至关重要。”

该方法还具有实际优势。当前用于改变材料状态的传统热方法可能会破坏量子行为，其会冲淡微妙的关联态，导致器件可靠性降低。相比之下，超快激光脉冲可以在不依赖整体加热的情况下触发相变，为控制材料提供了一条更具选择性的路径。虽然目前的系统仍需加热才能将材料重置回原始状态，但未来的研究可能会探索使用不同波长的光来逆转该过程，使研究人员更接近实现完全可控的光驱动器件。

除了科学发现，该实验还凸显了在多个线站集成先进激光系统的能力，这一能力正在 NSLS-II 不断发展壮大。本研究中使用的便携式超快激光器可在不同实验站之间共享，从而实现广泛的时间分辨测量。这些能力使研究人员不仅能研究材料的结构，还能研究电子和原子在超快转变过程中的运动和相互作用。

该方法还与自由电子激光等其他主要设施的研究形成互补——自由电子激光擅长捕捉寿命极短的状态。而在 NSLS-II，科学家们则可以专注于研究寿命更长、能量分辨率极高的相，从而获得材料行为的高度细节化视图。

随着研究人员继续探索光如何揭示和控制物质的隐藏相，探索新型电子学、量子功能器件和更快计算的新路径也随之浮现。

本研究得到了布鲁克海文国家实验室的实验室指导研究与开发（LDRD）项目以及 NSLS-II 的设施改进项目（FIP）的支持。激光系统的开发涉及 SIX 线站、相干软 X 射线散射（CSX）线站以及磁学、椭偏、时间分辨红外与纳米光谱（MET）线站的团队。本研究还使用了位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心（DOE 科学办公室用户设施）的引线键合机。