光首次让原子在扭曲二维材料中起舞

研究人员成功捕捉到原子在光作用下的舞动，揭示出二维莫尔材料如何在超快时间尺度上动态扭曲。

一束闪光将原子薄片变成了舞池。在一项精密物理实验中，来自康奈尔大学和斯坦福大学的研究人员拍摄到原子以完美同步的方式扭曲与回弹，这段"舞蹈"仅在万亿分之一秒内完成。

这种肉眼无法观测的运动，发生在仅几个原子厚的材料中。

这些堆叠的层状结构被称为莫尔材料，已知在轻微扭曲时会表现出奇异特性，能将普通导体转变为超导体甚至磁体。

如今，科学家们发现光可以驱动这些层动态运动，这或许能实现对材料量子特性的实时调控。

为捕捉这一难以捉摸的"舞蹈"，研究团队采用超快电子衍射技术 —— 这项技术能以破纪录的速度拍摄移动中的原子。由康奈尔大学研发的该仪器，配合超高灵敏度高速探测器，成功捕捉到原子级薄层在激光脉冲下产生扭曲运动，这种运动过于快速，传统工具难以探测。

他们的研究表明，这些二维材料并非如人们曾认为的那样是静态结构。相反，它们在受到光照射时会进行有节奏的弯曲和扭转，这为在超快时间尺度上研究和操纵物质提供了新途径。

拍摄运动中的原子

"人们早已知道，通过堆叠并扭曲这些原子级薄层，可以改变材料的性能，"康奈尔大学物理学教授、共同通讯作者贾里德·马克森表示，"但我们的创新之处在于，用光动态增强了这种扭曲，并且实时观测到了整个过程。"

迄今为止，科学家们只能推测莫尔材料在光照射下的可能反应。康奈尔-斯坦福团队首次直接观测到这种运动，看到层与层之间扭曲得更紧随后弹回 —— "就像一条卷曲的丝带释放其能量"。

"此前研究人员认为，一旦将这些莫尔材料以固定角度堆叠，整个结构就固定不变了，"斯坦福大学项目负责人方刘（音译）表示，"而我们的研究表明它绝非固定不变 —— 原子是会运动的。"

研究人员依靠康奈尔大学定制建造的电子显微镜像素阵列探测器来记录细微的原子位移。

EMPAD原本用于拍摄静态图像，但在此处被用作原子的"电影摄影机"。"大多数探测器会模糊掉信号，"马克森说，"而EMPAD让我们能够捕捉到极其细微的特征。"

强有力的合作

康奈尔大学负责开发成像工具的同时，斯坦福大学则提供了特殊设计的材料。"如果没有将材料理解与电子束理解相结合，我们绝无可能观测到这一现象，"马克森说道。

参与实验设计的博士毕业生卡梅伦·邓肯表示："我们之所以能率先成功捕捉到超快莫尔信号，是因为我们专门定制了自主研发的设备，以增强其衍射分辨能力。"

接下来，团队计划测试新材料和扭曲角度，希望能更好地实时控制光对量子行为的影响。

该项研究已发表于《自然》杂志。

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