浙江
美国奥本大学的物理学家发现，短暂的激光脉冲能够在特定晶体内部诱导出有序的电极化状态，即使材料处于较高温度、内部微小极化区域通常仍然杂乱无章的情况下，也能实现这一变化。这一发现为研究材料内部极快的电学变化提供了新方法，未来可能有助于探索超高速信息处理与存储技术。
这项研究聚焦于经过改性处理的钛酸锶单晶。该材料具有一种特殊的性质：电子能够在其中移动，同时内部又存在大量微小的极化区域。这些区域具有正负电荷分布的不对称性，可以理解为内部带有不同方向的微型电极化单元。研究人员将其称为“极性纳米区域”。
在常规情况下，温度变化会影响这些极化区域的排列状态。随着晶体冷却，原本朝向各异的区域会逐渐呈现出更有规律的取向；温度较高时，它们则往往处于较为无序的状态。但科学家长期以来一直在争论，这种有序状态究竟是由原子协同位移形成的，还是晶体内部原本就存在极化区域，只是在降温过程中逐渐排列整齐。
要区分这两种解释并不容易，因为极化区域的尺寸极小，产生的信号也非常微弱。奥本大学研究团队由物理学家温灿·金领导，研究生穆罕默德·坎迪尔参与了核心实验。日本产业技术综合研究所的研究人员则负责生长实验所需的晶体样品。
研究团队建立了一套高灵敏度的激光测量系统，并花费近一年时间不断改进设备，以捕捉晶体内部极其微弱的光学信号。研究人员通过观察晶体对入射光的响应，追踪极化区域在反复升温和降温过程中的取向变化。
测量结果显示，在较高温度下，极化区域的方向较为分散；随着温度降低，它们逐渐表现出更明显的优选取向。这为一种重要解释提供了有力证据：极化区域可能在排列变得有序之前就已经存在，而降温过程主要改变了它们的排列方式。
不过，研究人员并未止步于观察温度变化。他们进一步尝试利用激光直接控制这些极化区域，让原本无序的电极化状态在极短时间内转变为有序状态。
这一关键突破出现在2025年。研究人员观察到，激光照射能够促使晶体内部原本方向各异的极化区域迅速排列起来。由光诱导产生的有序状态只持续了约1皮秒，也就是一万亿分之一秒，随后便迅速消失。
尽管持续时间极短，研究人员仍然能够通过光学测量检测到这一变化。这意味着，激光不仅能够影响材料内部的电学状态，还可以在极短时间内建立一种能够被测量的有序结构。
这种现象的意义在于，它为科学家提供了一种研究材料内部超快电学行为的新工具。传统材料调控方式通常依靠温度、电场或其他相对缓慢的外部条件，而激光脉冲能够在极短时间内改变材料状态，让研究人员观察到常规实验手段难以捕捉的瞬态过程。
研究人员认为，这一发现未来可能与超高速信息处理和存储技术有关。如果科学家能够进一步理解如何利用光脉冲建立、读取并控制材料中的有序状态，就有机会探索以光作为控制手段的新型电子器件。由于光脉冲可以在极短时间内作用于材料，这种研究方向也有望帮助人们理解和开发更快的物理过程。
不过，目前的实验并不意味着研究团队已经制造出能够实际工作的超高速存储器或处理器。激光诱导的有序状态只能维持约1皮秒，如何延长其持续时间、实现稳定而可重复的控制，并将这种现象集成到实际器件中，仍然是需要解决的问题。
这项研究成果于2026年10月14日发表在《Physical Review Letters》期刊上，论文题为《量子铁电金属跨越有序—无序相变的光学极化控制》。研究为理解晶体内部极化区域的形成与排列提供了新的证据，也展示了利用光脉冲操控材料电学状态的可能性。
从更广泛的材料科学角度来看，这项工作的价值不仅在于发现一种新的激光调控现象，还在于研究人员能够借助极短暂的光学信号，观察和控制材料内部原本难以直接探测的微观结构。未来，随着测量技术和材料设计不断进步，类似方法或许能够帮助科学家开发新的电子器件，并进一步探索光与物质相互作用在信息技术中的应用潜力。
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