自然界給了豐富的材料供我們使用。從遠古時代人們使用的銅器鐵器，到支撐著我們今日信息社會的半導體，再到將來能夠極大緩解人類能源問題的超導體，無一不仰賴于人們對材料性質的創新。但是，自然界能提供給我們的材料終究是有限的，如何從有限的材料中創造出無限的可能呢？
從上個世紀開始，科學家嘗試用各種外加手段去改變自然材料的電學、磁學或光學性質。例如，把材料降到很低的溫度，我們可以制造出電阻為零的超導體。把一塊鐵磁體放到很強的磁場當中，磁體的南極和北極會對調。把兩片單原子層厚的石墨烯以某個角度疊在一起，石墨烯會從導體變成絕緣體。
這些改變材料性質的方式已經廣泛應用于我們的日常生活和工業生產中，但是如果我們想在很快的時間尺度上（例如太赫茲）調控材料的性質，這些傳統方式的速度就有些跟不上了。
因此人們開始探索用光控制材料特性的可能。近些年來超快激光可以產生持續時間越來越短的光脈沖，飛秒尺度的激光早已實現商用。利用這樣的超短光脈沖，人們可以在脈沖到達材料的一瞬間將其性質改變。這樣的高速度允許我們在一秒鐘內能夠將材料性質翻轉成千上萬次，對于信息處理、高速計算大有裨益。
但用光控制材料性質同樣面臨著瓶頸。其中最為嚴重的就是光對材料的加熱效應。一個正面的例子是，激光切割技術中，強光能讓被切割的材料迅速氣化，從而留下高質量的材料邊緣。
應用在材料性質的超快調控上，這種加熱卻是我們想避免的。原因有二：
一是高溫下材料可能會被損壞；
二是即使超快激光脈沖已經離開了材料，它產生的熱量需要很長的時間（通常在納秒量級）才會耗散掉，這就大大拖慢了材料性質調控的速度。
因此，人們開始思考這樣一種可能性：強光在不被材料吸收的情況下快速改變材料的性質。
近些年來理論物理學家開始關注一種新型的弗洛開（Floquet）機制，即強光中周期性振蕩的電場與材料中的電子耦合，從而改變材料的能帶結構（名詞解釋），亦即改變材料的性質。
過去十年里，雖然科學家們已在金屬中實現了利用弗洛開機制去超快調控能帶的拓撲性質（名詞解釋），但金屬中的電子極容易被加熱，從而限制了能照射在樣品上的激光的強度，因為過強的激光可能會造成材料的損傷。
美國加州理工學院物理系David Hsieh教授課題組的博士生單君翌與合作者提出利用絕緣體材料來實現其光學性質的弗洛開調控，因為只要使用的激光光子能量小于絕緣體的能隙（名詞解釋），這些光子就不會被吸收。
研究人員選取了MnPS?半導體單晶來實現這一想法，因為其能隙很大，大約對應于藍光的光子能量。如果用強紅外光來照射材料，就能實現弗洛開機制，即在不加熱材料的前提下大幅改變材料的性質。在這個過程中，由于振蕩的強光場，電子的能帶結構發生變化，但是電子本身不會被激發到高能量上去。這就好像巨浪中的小船：小船隨著巨浪上下起伏，但是船上的乘客都穩穩地站在船上。強激光照射在材料上，改變材料對于某些波長的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)
強激光照射在材料上，改變材料對于某些波長的透明度。(圖源: Caltech / David Hsieh Laboratory)
這樣一來，由于電子能帶結構被改變，研究人員測量到相應的光學性質也發生了變化。利用光譜技術，研究人員發現在強光的照射下MnPS?的能隙變大了10%——也就是說，在自然狀態下，材料對于藍光是不透明的；但是由于強激光導致的能隙增大，材料對于藍光變成透明的了。更重要的是，這種調控是可逆的。持續大約10?13秒的激光脈沖結束之后，材料的光學性質會迅速回到其自然狀態，而這在材料對光子有吸收的情況下是不可能做到的。弗洛開機制導致電子能隙增大（示意圖）(圖源：Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)
弗洛開機制導致電子能隙增大（示意圖）(圖源：Nature 600, 235-239 (2021). Fig. 2)
該成果以“Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering”為題發表在Nature。
這項研究證實了利用超強激光對材料性質進行弗洛開超快調控的可行性，并且在未來的研究中，可供調控的材料性質可以從光學性質被推廣到其他性質，例如電學、磁學性質。
這項研究及其背后的理論工作照亮了一個研究材料科學的新前景——如果我們想找到具備某種有趣性質的材料，無論是奇特的光學元件還是自然中很難創造出的新奇的磁體，我們不必再費盡心神去對著元素周期表苦苦思索如何合成這些材料；也許換種思路，我們可以拿一塊看上去平平無奇的材料，然后仔細設計照射在上面的激光，改變激光的強度、波長、偏振方向，從而讓其實現我們夢寐以求的材料功能。
論文信息
Shan, JY., Ye, M., Chu, H. et al. Giant modulation of optical nonlinearity by Floquet engineering. Nature 600, 235–239 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04051-8
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