研究人员展示了用激光脉冲改变材料特性

研究人员展示了用激光脉冲改变材料特性。这个想法听起来就像魔法,纯粹而简单。你创造出一束光脉冲,可以让物质消失,赋予它们其他属性,或者把它们变成另一种物质,这是21世纪的炼金术 , 原则上不仅能让铅变成金子,还能把普通材料变成超导体

几十年来发展起来的通用方法是使用定制的光脉冲来重整原子和分子的电子云。新奥尔良图兰大学的一组研究人员及其合作者扩展了这个想法。他们找到了如何将脉冲策略应用于固体和散装材料的方法,以控制其性质由化学成分和结构决定。

同时,其他研究人员已经使用光脉冲来增强材料的超导性。

但是,该技术的真正潜力可能不在于使模仿成为奇迹,而是在于引发其他形式的转变。光束可用于创建足够强大的光学计算机,以解决诸如分解等难题。化学物质可能会暂时和选择性地变得不可见,这将有助于分析复杂的混合物。理论上的可能性似乎仅受我们的想象力限制。实际上,局限性可能源于我们对光与物质相互作用的理解和控制程度。

现在,McCaul与Tulane的Denys Bondar及其同事合作,描述了一种用于预先计算所需脉冲的理论方案。

在量子力学中,物质的特定属性(例如,电导率或光学透明性或反射率)对应于可观察量的平均值或“期望值”。如果您具有某种物质的波动函数,并且知道使用的是哪种光脉冲,则可以预测结果(期望值)。

邦达(Bondar)的团队扭转了这个问题:从您要获得的结果(期望值)开始,然后计算将产生该结果的光脉冲。为此,您还需要了解系统的波动函数,或等效地了解其哈密顿量(通常是汉密尔顿函数)。但这没关系,只要您可以确定足够好的近似值即可。

通过这种方式,研究人员找到了方法的扩展方法,可以将这些方法从只有少量电子要控制的小分子集合扩展到具有整个电子的大体积固体。Bondar说:“我们将系统视为电子云,然后开始使云变形。” 控制脉冲产生了电子必须遵循的一种跟踪,因此该方法称为跟踪控制。

普林斯顿大学Rabitz小组的理论化学家Christian Arenz与Bondar小组合作,他解释说,这种方法使找到合适的控制场来更容易地控制一种物质的性质。以前,控制场的设计是一个渐进的,迭代的改进,但是跟踪方法建立了“控制多体系统的新途径,这项工作将极大地激发未来的控制方法。

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杜兰大学的理论物理学家杰拉德·麦考尔(Gerard McCaul)精确地表明了改变材料特性所需的光脉冲种类。

量子相干控制的早期工作大部分都集中在(从字面上)诱导单个分子发生明确定义的变化,例如,选择性地将能量泵送至给定的化学键中,使其振动至断裂点,并可能由此控制化学反应。但是,一次在材料中相干地同时操纵许多电子是一个艰巨的挑战。

当原子以固体形式聚集在一起时,相邻原子的最外层电子壳重叠并形成“能带”,这些能带遍布整个材料。电子和光学特性取决于这些波段的特征。例如,在金属中,具有最高能量的电子占据一个未充满容量的能带,因此电子可以在整个原子晶格中移动,从而使材料导电。同时,在绝缘材料中,电子占据的最高能带被完全填充,因此这些电子没有“空间”移动。它们保持局部原子状态,材料不会导电。

量子力学效应会产生更多奇特的电子行为,这些量子力学效应使电子的运动相互依存(即相关),就像人群中人群的运动一样。例如,在传统的超导体中,最高能量的电子会形成相关对(称为库珀对),即使两个电子之间可能相隔一定距离,它们也会同步移动,这些库珀对的行为都相同,从而赋予它们不可阻挡的动量,使超导体能够在没有任何阻力的情况下导电。

但是什么样的材料会产生这种特性呢?通常,为了找到它们,您需要在排列不同元素中排查。这是非常缓慢且劳动密集型的工作-见证了开发新的超导材料所花费的大量时间和精力。

但是,想象一下,通过使用光脉冲来重塑电子的分布方式,有可能在几乎任何材料中调用所需的特性。按照这种观点,电子带的结构不是由材料本身固定的,找到正确的控制脉冲,您也许能够将移动电子阵列连接成库珀对,从而在其他条件下不可能的情况下,可能由诸如铁或铜之类的不起眼的物质制成超导体。

使用成形激光脉冲来指定和控制材料特性的想法已经产生了成果。例如,研究人员已使用它在绝缘和金属行为之间切换材料控制磁性能触发超导性。一般的想法是,光脉冲以使系统的一个相与另一相之间(例如金属与绝缘体之间)平衡的方式重新分配能带中的电子。通过这种方式,研究人员在比通常所需的极端温度高数十度的温度下产生了超导性。

尽管有早期的希望,研究人员警告说,实验工作仍在进行中。伦敦国王学院的理论物理学家乔治·布斯George Booth)说:“将这项研究扩展到扩展的固体领域,尤其是在存在强[电子]相关效应的情况下,尚处于起步阶段。还有待观察,他们对简单材料模型的计算在多大程度上可以推广到其他现象和系统。”

McCaul还希望使用跟踪控制来分析复杂的化学混合物,例如在药物发现中经常遇到的问题。他说,假设您混合了多种不同的化学物质。如果您知道每种成分的光谱-它如何吸收不同频率的光以创建特征性-那么您可以确定混合物中存在哪些化合物。“他说,跟踪控制可以使研究人员“一次关闭每个物种的光学响应”,从而使它们选择性地不可见。麦考尔已经证明,从原则上讲,这可以将不同化学物质之间的区别提高几个数量级。

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