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激光脈衝可以顯著改變材料特性,並突破材料屬性瓶頸

激光脈衝可以顯著改變材料特性,並突破材料屬性瓶頸

2022-02-18 Comments 0 Comment

據國外媒體報導,人們可以想像一下,窗戶可以很容易地變成一面鏡子,或者成為不依靠電子而是依靠光運行的超高速計算機,這些僅是光學工程中可能出現的潛在應用,利用激光快速和暫時改變材料性質的實踐操作。近期在《自然》雜誌發表的一項最新研究報告中,物理學家成功地使用激光顯著改變材料的特性,整個過程不產生任何多餘的破壞性熱量。

一束強激光照亮低溫室中的的材料,該激光被用於改變材料的透明度。

一束強激光照亮低溫室中的的材料,該激光被用於改變材料的透明度。

在實驗中所需的激光較強,因此容易出現加熱和損壞材料的情況,一方面希望該材料接收強激光照射,另一方面不希望該材料吸收任何光。目前,研究小組找到了一個“最佳點”來解決這個難題,在這個“最佳點”上,激光的頻率進行微調,從而顯著改變了材料性質,而不會產生任何多餘熱量。

同時,科學家表示,他們找到了一種理想的材料來演示該方法,這種材料是一種叫做三硫化錳的半導體材料,在較寬的紅外頻率範圍內,三硫化錳能自然地吸收少量光。在這項最新實驗中,研究人員使用較強的紅外激光脈衝,每個脈衝持續大約10-13秒,能快速改變材料內部電子能量。最終,這種材料從高度不透明狀態變成某種顏色的高度透明狀態。

研究人員強調,實驗證明該過程是可逆的,當激光關閉時,材料會立即恢復至原始狀態,且完好無損。如果該材料吸收了激光並加熱,這種情況是不可能發生的,因為三硫化錳材料需要很長時間進行散熱,實驗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能級(也叫做電子帶隙)之間的差異,而不是將電子踢到不同能級,這正是之前操作產生熱量的原因所在。這就像你擁有一艘船,然後一個大浪襲來,船劇烈地上下搖晃,而沒有導致任何乘客摔倒,在實驗中,激光劇烈地震動材料的能級,這改變了材料的性質,但電子屬性仍保持不變。

這些發現意味著其他研究人員現在有可能利用光來人工製造材料,例如:奇異的量子磁鐵,這些材料本來很難或者甚至不可能自然地製造出來。從原則上講,該方法可以改變材料的光學、磁性和許多其他性質,這是研究材料科學家的另一種方式,可以僅使用一種材料,並最終賦予它廣泛的有用屬性,而不是製造新材料來實現不同性能。(葉傾城)

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