想像一下，窗戶可以很容易地轉變為鏡子，或者超高速計算機不是靠電子而是靠光來運行。這些只是光學工程可能出現的一些潛在應用，光學工程是利用激光快速和暫時改變材料屬性的做法。加州理工學院物理學教授謝漢強（David Hsieh）說：“這些工具可以讓你在按下電燈開關時改變材料的電子特性。但是這些技術一直受到激光器在材料中產生過多熱量問題的限制。”

在《自然》雜誌的一項新研究中，謝漢強和他的團隊，包括主要作者和研究生單俊義（音譯），報告了在不產生任何多餘的破壞性熱量的情況下，成功地使用激光來大幅雕琢材料的特性。

單俊義說：“這些實驗所需的激光器非常強大，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，該團隊找到了一個解決這個問題的“甜區”，激光的頻率被微調，以明顯改變材料的特性，而不產生任何不必要的熱量。

科學家們還說他們找到了一種理想的材料來證明這種方法。這種材料是一種叫做三硫磷化錳的半導體，在廣泛的紅外頻率範圍內自然只吸收少量的光。在他們的實驗中，研究人員使用強烈的紅外激光脈衝，每個脈衝持續約10-13秒，以迅速改變材料內部電子的能量。結果，對於某些顏色的光，該材料從高度不透明的狀態轉變為高度透明的狀態。

研究人員說，更關鍵的是，這個過程是可逆的。當激光關閉時，該材料立即回到其原始狀態，完全沒有受到影響。如果材料吸收了激光並發熱，這是不可能的，因為材料需要很長時間來散熱。新工藝中使用的無熱操作被稱為”相干光學工程”。

該方法之所以有效，是因為光改變了半導體中電子的能級差異（稱為帶隙），而沒有將電子本身“踢”到不同的能級，而這正是產生熱量的原因。

“這就像你有一艘船，然後一個大浪襲來，大力地將船上下搖晃，卻沒有導致任何乘客掉下來，”謝漢強解釋說。“我們的激光正在大力搖動材料的能級，這改變了材料的特性，但電子卻保持原狀。”

研究人員以前曾設想過這種方法將如何工作。例如，在20世紀60年代，加州理工學院校友Jon H. Shirley提出了關於如何在光的存在下解決材料中電子能級的數學想法。在這項工作的基礎上，謝漢強的團隊與加州大學聖塔芭芭拉分校的理論家葉孟興（音譯）和Leon Balents合作，計算了激光照射在三硫磷化錳中的預期效果。謝漢強說，該理論以”非凡的”精度與實驗相匹配。

謝漢強說，這些發現意味著其他研究人員現在有可能利用光來人工創造材料，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造。

單俊義說：“原則上，這種方法可以改變材料的光學、磁性和許多其他屬性。這是一種從事材料科學的替代方式。與其製造新材料來實現不同的特性，我們可以只用一種材料，並最終賦予它廣泛的有用特性。”