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在二維材料和拓撲材料等量子材料的研究中，光和物質的相互作用起著重要的作用。它不僅是研究材料處于平衡態時的物理特性的重要探測手段，更為重要的是，脈沖激光激發還可以作為一種物態調控新手段。利用光激發可誘導或“衍生”出平衡態所不具有的新奇物態，進而在超快（皮秒甚至飛秒）時間尺度上實現量子材料的物性調控。近期，清華大學物理系周樹云教授及合作者受邀撰寫量子材料中光誘導的新奇物理效應的綜述文章，評述該領域的最新研究進展及實驗的挑戰，并展望該研究領域的重要發展機遇。
圖1：光和量子材料相互作用導致的新奇物理效應。(a)利用光作為周期性電場的特性，可利用弗洛凱電子態對其電子結構進行調控（弗洛凱工程）并誘導出瞬時拓撲物態。(b)光對材料能量景貌的擾動導致瞬態相變，例如，光致超導和電荷密度波等。(c)利用光的偏振特性來操控量子材料中的自旋、贗自旋和能谷等量子自由度，例如，利用圓偏振光進行不通過能谷的選擇性激發。(d)光和材料的拓撲幾何相位（貝里曲率）的相互作用導致獨特的非線性光學響應。
近十年來，二維材料和拓撲材料的研究不僅得到了快速的發展，而且對其物理特性的研究及物態的調控逐漸從平衡態（穩態）拓展到非平衡態（瞬態）。這個領域的快速發展一方面得益于高質量二維材料及異質結的制備、拓撲新材料的發現及對光與物質相互作用物理機制的理解，另一方面也與基于泵浦-探測手段的多種超快時間分辨實驗技術的發展密不可分。尤其是超快時間分辨角分辨光電子能譜(TrARPES)、超快時間分辨X射線衍射(TrXRD)、超快電子衍射(UED)、超快光學和超快時間分辨輸運等前沿實驗技術的發展使得瞬態電子結構、晶格結構和物性的探測成為可能，從而為在超快時間尺度上捕捉非平衡態動力學及實現瞬時物態調控提供了前所未有的機會。
光和物質的相互作用可在二維材料和拓撲材料中誘導出諸多新奇物理效應（見圖1）。利用光具有的周期性電場的特點，通過光與物質的相互作用，人們可以瞬態調控其電子結構（簡稱弗洛凱工程，Floquet engineering），進而改變其拓撲特性；或者在原本非拓撲的材料中誘導出瞬態拓撲態（圖1a）。通過光與量子材料中多種準粒子自由度的耦合，進而改變其能量景貌，可以誘導出瞬態相變，例如光誘導的超導和電荷密度波等新奇物態（圖1b）。光和物質的相互作用還可以用來探測和操控材料中的贗自旋和谷等各種量子自由度（圖1c），為未來電子器件的發展提供新的思路。此外，光和物質的相互作用也成為了探測材料拓撲性質的強有力方法，其與材料拓撲相位的耦合可產生新奇的光學線性和非線性響應（圖1d）。
近年來，量子材料的光致新奇物理效應的研究得到快速的發展，但是與大量的理論預言相比，當前量子材料的非平衡態物理和瞬態調控的實驗研究仍處于關鍵發展階段。一方面，實驗研究仍然面臨巨大的挑戰，但是同時這個領域也蘊含著取得重大實驗突破的機遇。把量子材料的研究拓展到非平衡態不僅具有重要的科學意義，同時也擁有廣闊的應用前景。在皮秒甚至飛秒的時間尺度上實現量子材料的物態調控，對于未來新一代高速、新機制器件的研發意義重大。
該工作以“二維材料和拓撲材料光誘導衍生現象”(Light- induced emergent phenomena in2D materials and topological materials)為題于11月9日在線發表在《自然評論：物理》（Nature Reviews Physics）。清華大學物理系博士研究生鮑昌華為文章第一作者，清華大學物理系周樹云教授、北京大學量子科學材料中心孫棟教授和北京航空航天大學材料科學與工程學院湯沛哲教授為文章的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京未來芯片技術高精尖創新中心和北京自然科學基金的支持。
