太赫兹光秒变“魔法棒”，我国团队唤醒物质未知形态

如果我们能像电影里的超级英雄一样，操控时间或者让材料在超短的时间内发生“变形”，世界会不会变得完全不同？我国科研团队正在探索一种独特的“魔法”：通过光，特别是超高速的太赫兹光来操控和创造全新的材料状态。

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一种自带“记忆”的坚固材料

给你一支魔杖，能把杯子里的水变成冰，再晃一下就能把冰恢复成水的形态，听起来不像三次元的事，但这种能操控水分子的技术还真有。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心最近联合清华大学、南京大学的研究团队，在一种拓扑铁电材料中，实现了类似的奇迹。他们用的“魔杖”是超强太赫兹光脉冲，而材料被“唤醒”的隐藏状态，则是一种拥有宏观电极性的新物态。

超高速的太赫兹光可以操控和创造全新的材料状态

先来理解一下“拓扑铁电材料”是什么。

分开来看，“拓扑材料”的特别之处在于它们的电子结构，像是有保护层，使得材料的表面或边界电子行为不同于内部。

这种结构赋予了它们一些非常有趣的物理特性，比如材料边缘的电子可以在材料表面不受干扰地自由流动，像是高铁在轨道上飞驰。

至于“铁电材料”，指的其实是材料的铁电性，大多数铁电材料并不含有铁。普通的铁磁材料在磁场中可以被磁化，而铁电材料在电场中拥有“记忆”并能保持电极化的状态。

简单来说，铁电材料有“记忆力”，它们能够记录并保持电场的痕迹。当铁电性和拓扑材料的特性结合时，就诞生了拓扑铁电材料。

传统的铁电性单元就像一根容易被碰倒的牙签，虽然能记录电场信息但不够稳定。而拓扑铁电材料则像是把信息记录在了一个结实的“电子旋涡”中，由于“旋涡”本身很稳固，所以它记录的信息也就更抗干扰、更可靠。同时它还能利用其独特的拓扑结构在不同的状态间切换。

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太赫兹“光锤”敲出隐藏状态

那么科学家们是如何在拓扑铁电材料中发现一个隐藏的极性状态的呢？这就要靠一个特殊的高频率光的力量了。

这个“光”就是超强太赫兹光（THz）脉冲。太赫兹辐射介于微波和红外线之间，具有很高的频率。它不像可见光那样容易被我们肉眼看到，但却能穿透许多材料，带来非常独特的探测和控制能力。

太赫兹辐射的波段表示

这是因为，太赫兹辐射所在的频率恰好是很多分子、原子集体振动的频率，因此也被誉为“物质的指纹”。

当研究人员将太赫兹辐射增强到极高地步，形成脉冲极短的“光锤”，它就能以强大的电场力在极短的时间内，精准地“敲击”拓扑铁电材料，让它们按照我们的意愿集体运动，也可以说在瞬间改变了它们的状态。就像纷乱的自习室，突然来了班主任，所有学生立刻排排坐好。

就在这短短的几皮秒（万亿分之一秒）内，研究团队发现了一个之前拓扑铁电材料被隐藏的“瞬态极性相”。

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为超高速芯片埋下种子

这个“隐藏的极性相”到底是什么呢？其实，它是材料在特定条件下展现出来的全新电性状态。

“光锤”能瞬间改变材料的极性相

要解释这个在时间上非常短暂、、，几乎一闪而过的极性相比较复杂，我们先讨论一下激发这种“隐藏身份”有什么现实作用。

首先就是研究者们能通过激发这种瞬态的极性状态，更精确地控制材料的电学行为。如果我们能在极短的时间内切换和控制材料的电极化状态，就能在极低能耗下快速存储和读取信息，也就是说，瞬态极性状态为未来的超高速存储器和逻辑元件开辟了新的可能。

其次是为量子计算提供了更多材料选择。量子计算本就依赖于量子比特的快速操作，而这种超快极性调控可能为量子比特提供新的材料基础，特别是这种短暂极性状态可以为量子态提供更多的操控自由度，从而提升量子信息处理的效率和稳定性。

总的来说，这项研究打破了我们对铁电材料稳定性的传统认知，展示了它们在超快时间尺度上的新行为，这不仅拓展了我们对物质的理解，也为未来更高效、更智能的技术奠定了基础。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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