量子时间冻结：科学家用激光锁定量子态的时间延长 1000 倍

激光脉冲触发铜酸盐阶梯中的电子变化，产生长寿命的量子态，其持续时间比平时长约一千倍。图片来源：Brad Baxley/Part to Whole

通过使用定制的光脉冲和强大的 X 射线技术，科学家们发现了如何在氧化铜材料中创建长寿命的光诱导量子态——以前认为这种材料只能持续万亿分之一秒。

这一突破使电子能够隧穿并被困在新的配置中，揭示了对电子对称性的罕见见解，并为光电设备和量子数据存储等革命性技术开辟了可能性。

一些材料具有非凡的量子特性，可以为下一代技术铺平道路，从超高效电子设备到强大的电池。但有一个问题：这些特殊行为通常隐藏在材料的自然状态中。为了揭示它们，科学家们需要一种巧妙的方法来轻轻地将它们哄出来。

一种强大的方法是用极短的光脉冲撞击材料。这些脉冲可以在微观层面上巧妙地改变原子和电子的相互作用方式，从而使材料隐藏的量子特性短暂显现。问题是什么？这些光诱导态几乎瞬间消失，通常只持续万亿分之一秒。这使得它们难以研究，更不用说在现实世界的设备中使用了。

在极少数情况下，这些状态会持续更长的时间，但科学家们仍然不完全理解其中的原因，并且没有明确的规则手册来说明如何按需创建它们。

现在，哈佛大学的研究人员与瑞士 Paul Scherrer 研究所 （PSI） 的同事合作，向前迈出了一大步。通过仔细调整氧化铜材料中电子态的对称性，他们设法创造了一个持续数纳秒的量子态——大约比平时长一千倍。他们使用强大的 SwissFEL X 射线激光器实现了这一点，这帮助他们触发和观察了这种异常长寿的行为。

正在研究的化合物 Sr14Cu24O41——所谓的铜酸盐阶梯——几乎是一维的。它由两个不同的结构单元组成，即梯子和链，代表铜原子和氧原子的组织形状。这种一维结构提供了一个简化的平台来理解复杂的物理现象，这些现象也出现在高维系统中。

“这种材料就像我们的果蝇。它是我们可以用来研究一般量子现象的理想化平台，“领导这项研究的哈佛大学实验凝聚态物理学家 Matteo Mitrano 评论道。

实现长寿命（“亚稳态”）非平衡状态的一种方法是将其困在能量井中，使其没有足够的能量从中逸出。然而，这种技术有可能诱导结构相变，从而改变材料的分子排列，而这正是 Mitrano 和他的团队想要避免的事情。

“我们想弄清楚是否有另一种方法可以通过纯电子方法将材料锁定在非平衡状态，”Mitrano 解释说。因此，提出了一种替代方法。

在 SwissFEL 的 Furka 终端站设置的时间分辨共振非弹性 X 射线散射 （tr-RIXS），在那里探测了控制亚稳态的超快电子过程。图片来源：Paul Scherrer Institute PSI/ Elia Razzoli

在这种化合物中，链单元保持高密度的电子电荷，而梯子相对空。在平衡时，电子状态的对称性阻止了两个单元之间的电荷移动。精确设计的激光脉冲打破了这种对称性，允许电荷从链到梯子的量子隧道。

“这就像打开和关闭阀门，”Mitrano 解释说。一旦激光激发被关闭，连接梯子和链条的隧道就会关闭，切断这两个单元之间的通信，并将系统困在一个新的长期状态一段时间内，以便科学家能够测量其特性。

在 SwissFEL 产生的超亮飞秒 X 射线脉冲能够在作用中捕获控制亚稳态形成和随后稳定的超快电子过程。在 SwissFEL Furka 终端站使用一种称为时间分辨共振非弹性 X 射线散射 （tr-RIXS） 的技术，研究人员可以深入了解磁、电和轨道激发及其随时间的变化，从而揭示其他探测器通常隐藏的特性。

“我们可以专门针对那些决定系统物理特性的原子，”Furka 终端站组长兼负责实验装置的 Elia Razzoli 评论道。

这种能力是剖析导致亚稳态的光诱导电子运动的关键。“通过这项技术，我们可以观察电子如何在其固有的超快时间尺度上移动，从而揭示电子亚稳态，”哈佛大学博士后学者、该论文的主要作者 Hari Padma 补充道。

tr-RIXS 为激发材料的能量和动量动力学提供了独特的见解，为 SwissFEL 用户研究量子材料开辟了新的科学机会;事实上，这些结果来自用户组在新 Furka 终端站进行的第一次实验。正是对 Furka 开发 tr-RIXS 的兴趣促使哈佛团队与 PSI 的科学家合作。“这是一个难得的机会，可以在可以进行此类实验的机器上抽出时间，”Mitrano 评论道。

自从最初的试点实验以来，Furka 终端站已经进行了升级以提高 RIXS 能量分辨率，并已准备好研究新型的单个和集体激励，例如晶格激励。“这个实验对于展示我们可以进行的实验类型非常重要。终端站及其仪器现在已经好多了，我们将继续改进它，”Razzoli 总结道。

这项工作代表了在控制远离平衡的量子材料方面向前迈出了重要一步，对未来技术具有广泛的影响。通过稳定光诱导的非平衡状态，该研究为设计具有可调功能的材料开辟了新的可能性。这可能使超快光电器件成为可能，包括将电信号转换为光的换能器，反之亦然，成为量子通信和光子计算的关键组件。它还提供了一条通往非易失性信息存储的途径，其中数据以光产生和控制的量子态编码。

参考资料：Hari Padma、Filippo Glerean、Sophia F. R. TenHuisen、Shen Zechen、Huix Wang、Luogen Xu、Joshua D. Elliott、Christopher C. Homes、Elizabeth Skoropata、Hiroki Ueda、Biaolong Liu、Eugenio Paris、Arnau Romaguera、Byungjune Lee、Wei He、Yu Wang、Seng Huat Lee、Hyeongi Choi、Sang-Youn Park、毛志强、 Matteo Calandra、Hoyoung Jang、Elia Razzoli、Mark P. M. Dean、Yao Wang 和 Matteo Mitrano，2025 年 6 月 3 日，Nature Materials。
DOI： 10.1038/s41563-025-02254-2