中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-044）——半导体黑磷的超快瞬时能带调控

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工作简介

         ——半导体黑磷的超快瞬时能带调控

清华大学物理系周树云研究组、段文晖研究组、北京航天航空大学汤沛哲研究组和物理所孟胜研究组开展实验和理论合作研究，首次在半导体材料黑磷中实现了激光诱导的超快瞬时能带调控，研究成果以”黑磷的弗洛凯能带调控及赝自旋选择特性”（Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus）为题发表在2023年Nature杂志。

光与物质的相互作用不仅是探究低维量子材料微观物理的重要探测手段，而且有望作为瞬时物态的超快调控手段，实现平衡态所不具有的新物态、新效应。相关研究不仅是凝聚态物理、材料科学及超快物理领域的科学前沿，而且还有望为未来新型高速器件的研发奠定重要的科学基础。其中，一个备受关注的研究方向是通过周期性振荡的势场诱导量子物态的变化，进而实现对量子材料电子结构、对称性及拓扑性质的瞬时调控，简称弗洛凯调控（Floquet engineering）。该概念自提出后在凝聚态物理、冷原子物理、光晶格等领域中受到了广泛的关注。然而，尽管理论方面涌现出丰富的预言，与之形成鲜明对比的是凝聚态体系中的实验进展较少。很多关键的科学问题，例如，能否在半导体材料中实现能带结构的瞬时调控，仍有待实验的证实。该问题的解决是通往光致瞬时拓扑物态的重要的一步。

周树云研究组利用中红外超短脉冲激光共振激发，首次在半导体材料黑磷中观测到飞秒脉冲激光诱导的瞬时能带调控，并结合理论计算，确认其与黑磷的赝自旋具有独特的耦合作用。该工作是自时间周期势场驱动的弗洛凯调控被提出以来，首次在半导体材料中实现的激光诱导能带调控的实例，对实现非平衡态超快瞬时物性调控及探索新型高速光电器件具有重要科学意义。

_{图1. 飞秒脉冲激光诱导的黑磷超快瞬时能带调控。}

该研究成果以“Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus”为题发表在2023年Nature杂志，并入选ESI高被引论文和热点论文。Nature同期刊发News & Views文章评述该工作的科学意义，指出“该发现为固体材料中奇异电子态的含时调控开辟了新的道路”。该论文的通讯作者是清华大学物理系周树云教授，论文共同第一作者为清华大学物理系博士生周绍华和清华大学“水木学者”博士后鲍昌华。合作者包括清华大学物理系段文晖院士、于浦教授，北京航空航天大学汤沛哲教授，中科院物理所孟胜研究员等。该研究工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的资助。

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作者简介

通讯作者

周树云，清华大学物理系教授，杰青、长江。

从事凝聚态实验物理研究尤其是低维量子材料的电子能谱和超快动力学研究，近年来在新奇拓扑材料、二维材料异质结的能带调控及非平衡态超快动力学研究等方面取得多项重要研究进展。任《中国物理快报》编委，中国物理学会理事、中国物理学会咨询工作委员会委员、国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）凝聚态结构和动力学专业委员会委员。

第一作者

鲍昌华，清华大学物理系“水木学者”博士后。

2016年和2022年于清华大学物理系获学士和博士学位。获清华大学研究生特等奖学金、清华大学优秀博士学位论文、中国真空学会优秀博士学位论文、2023年瑞士乔诺法青年研究奖（Dimitris N. Chorafas Prize），入选博士后创新人才计划。

主要作者

汤沛哲，北航材料科学与工程学院教授，国家高层次青年人才计划。

本科和博士分别毕业于兰州大学和清华大学；博士毕业后在美国斯坦福大学物理系和德国马克思普朗克结构与动力学研究任博士后研究，获玛丽-居里学者；2020年加入北航材料科学与工程学院。从事拓扑材料计算，尤其是光与物质相互作用等理论研究。

主要作者

孟胜，中科院物理所研究员，表面物理国家重点实验室副主任，杰青。

主要研究方向为量子材料及其表面的激发态电子动力学、能源转化微观机理等。

主要作者

段文晖，清华大学物理系教授、系主任，中国科学院院士。

主要研究方向为计算凝聚态物理和计算材料学，揭示凝聚态物质和材料的微观结构和宏观物性之间的内在联系，开展材料性质及其物理机制的理论预测和计算设计。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05610-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！