上海交通大学张文涛课题组张杰和指导课题组在Nature发表突破性研究成果，主题为“光操纵量子材料中的电子维数”：使用飞秒激光操纵量子材料在三维材料中在二维电子态中实现瞬时二维长程有序电子态，并在形成的二维电子态中发现光致超导的迹象。

二维电子态中有许多奇怪的量子现象，如量子霍尔效应（1985年诺贝尔物理学奖）、石墨烯中的狄拉克电子态（2010年诺贝尔物理学奖）这些二维电子态通常是通过机械剥离、人工异质结、分子束外延生长等方法制造人工结构来实现的；本研究提出并实现了一种利用超快激光控制在量子材料中产生二维电子态的新方法。该方法利用特定激光强度激发的相干电子-声子相互作用引起的材料晶格宏观周期性畸变，结合激光在材料中穿透深度引起的强度分布，导致材料中的这种晶格畸变。材料中间分层出现，在晶格畸变层和原始层之间实现了长程有序的二维电子态。

激光控制形成二维电子态示意图

传统三维已经研究了用于高分辨率超快激光操作的电荷密度波材料。通过时间分辨角分辨光电子能谱测量发现，随着激光器泵浦能量的增加，电子态的线宽在特定的泵浦能量下会交替减弱。这种奇特的现象只有在电子维度从三维退化到二维时才能得到合理解释。进一步研究发现，超快电子结构在高激发密度下表现出非谐振荡现象，这意味着强激光的作用会引起晶格畸变反转，在晶格畸变反转区和非反转区形成双重地区。立体电子结构。通过高分辨率兆伏特超快电子衍射实验，我们观察到代表周期性晶格畸变的超晶格峰在强激光泵浦作用下消失，然后出现，这提供了激光作用下晶格畸变反转的存在。确定性证据。超快电子结构和超快电子衍射实验数据与瞬态和空间分布的Ginzburg-Landau双势阱模型模拟计算结果一致，证实飞秒激光诱导晶格畸变反演可以实现二维电子在三维材料状态。通过时间分辨角分辨光电子能谱测量，二维电子结构进一步发现电子态密度增加和能隙存在的迹象，表明可能发生光致非平衡高温超导.这些发现首次表明使用超快激光来控制电子态的维数并产生奇怪的量子现象。

光诱导二维界面，二维界面处的态密度增加

超晶格峰的超快电子衍射测量

并确认激光诱导晶格畸变反演

先进仪器的发展和实验精度的提高是这一新发现的关键。在国家和学校人才计划的支持下，张文涛课题组自主研发了具有国际先进水平的时间分辨角分辨光电子能谱仪。时间分辨率（113 fs）和能量分辨率（16.2 meV）的乘积接近物理极限，达到了世界同类仪器的最高水平。在国家资助委员会国家重点科研仪器开发项目（系部推荐）的支持下，张杰带领的研究团队研制了世界上唯一的时间分辨率优于50 fs（FWHM）的兆伏级超快电子衍射装置。 ）。本研究结合了时间分辨角分辨光电子能谱仪对电子灵敏度和兆伏特超快电子衍射装置对原子灵敏度的优点，分别从超快电子结构和超快晶格动力学方面提供了相关发现。证据。

高性能时间分辨角分辨光电子能谱仪

和兆伏特超快电子衍射装置

该工作得到科技部、国家自然科学基金、上海市科委科研项目资助；这是由研究所和上海科技大学的研究人员共同完成的。上海交通大学高性能计算中心提供计算资源。

张文涛课题组博士生段绍峰、指导课题组博士生程云为该论文的共同第一作者。张文涛和guide为论文的通讯作者。上海交通大学钱东课题组、上海科技大学罗卫东课题组、郭彦峰课题组参与研究，在数据分析、电子结构计算和样品制备等方面做出了重要贡献。

来源：物理与天文学院

责任编辑：王新伟

主编：金雪