北京
半导体材料中希格斯模式的发现使研究人员能够调节其带隙，从而使其更适合太阳能电池应用。
美国阿贡国家实验室的科学家首次在一种半导体材料中发现了一种难以捉摸的振动，称为希格斯模式。原子的集体运动导致晶体对称性发生变化，而这一变化可通过调节来优化材料的性质。
如果你还记得学校教的科学知识，就会知道气体中的分子排列松散并处于运动之中，而固体中的分子排列紧密且刚性，这赋予了它们确定的形状。然而，即便在固体内部，原子也在不断运动。这种运动大多是振动性的、随机的且不协调的。
科学家们了解到，某些输入可以将这种随机运动转变为协调、同步的运动。这些振动集合起来会发出声音，被称为声子。通过调控声子，科学家还找到了影响材料结构和行为的方法。
发现希格斯模式
阿贡国家实验室的研究人员正利用光来改变一种名为金属卤化物钙钛矿的半导体材料中的声子活动。在我们致力于构建下一代太阳能电池、先进传感器和量子技术的过程中，这类材料至关重要。
在一次实验中，科学家们将二维钙钛矿晶体暴露在超快激光脉冲下，他们注意到一种复杂而难以捉摸的振动，这种振动调节了晶体本身的对称性。这就是所谓的希格斯模式。
纵观历史，研究人员在多种材料中发现了希格斯模式的数学类似物。例如粒子物理学中的希格斯玻色子，或超导中的希格斯模式——后者使电流能够无阻碍地流经材料。希格斯模式是系统中的一种振荡，达到一定程度时会表现出某种对称性或有序性。它通常出现在系统因一种称为自发对称性破缺的现象而发生相变时。
这一次，阿贡国家实验室的研究人员首次在半导体材料中观察到了希格斯模式。
半导体材料中的希格斯模式
研究人员所使用材料是丁基铵碘化铅，这是一种用于制造单层半导体晶体的金属卤化物钙钛矿。发现其希格斯模式使研究人员能够调节它们的带隙，从而使其更适合太阳能电池应用。
半导体材料的带隙决定了太阳能电池中它能吸收哪些频率的光来产生电，以及会散射哪些频率的光。在实验中，当研究人员将半导体暴露在超快激光脉冲下时，材料中的一小群原子开始振荡。
这些振荡原子的电子之间的相互作用也改变了它们的角度。有趣的是，这同时改变了材料的带隙。
“我们发现带隙会周期性地快速增加和减小，”参与这项工作的阿贡国家实验室科学家理查德·沙勒说，“本质上，样品的颜色随着它在不同晶体对称性之间来回切换而振荡——不断地变红然后又变蓝，如此反复。”
研究人员还发现，这种希格斯模式将晶体引向了一个无法通过加热达到的相。这表明基于光激发材料的方式不同于基于热激发的方式，从而为探索材料的相态和性质提供了一条新途径。
“如果我们能够利用光在超快时间尺度上控制材料的结构和电子变化，它们或许可以在现代微电子和量子技术中用作光开关，”阿贡国家实验室博士后研究员阿尤希·舒克拉在一份新闻稿中补充道，“此外，稳定具有低带隙的新型高对称相，可能为光伏应用开启令人振奋的机会。”
这项研究成果发表在《自然·材料》期刊上。
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