科學(xué)技術(shù)在量子力學(xué)領(lǐng)域的突破，拓寬了我們對宇宙的了解。Max Planck 提出的量子理論為量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，對于探索原子和亞原子現(xiàn)象至關(guān)重要。

如今，加州理工學(xué)院 Hsieh 研究小組首席研究員 David Hsieh 博士正走在這場探索之旅的前沿，致力于研究量子材料，以揭示強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的復(fù)雜相互作用。他的研究大大推動(dòng)了對這些相互作用產(chǎn)生的奇特現(xiàn)象的了解。這項(xiàng)突破性工作的用到的核心設(shè)備是 Coherent Astrella 激光器。

這款激光器對于 Hsieh 博士的研究功不可沒，使他和他的團(tuán)隊(duì)能夠以前所未有的精度探測和操控量子材料，并為 Hsieh 博士提供了無與倫比的多功能性。Hsieh 表示：“雖然激光器不是作為共享儀器，僅供我們的實(shí)驗(yàn)室使用…… 但我們的實(shí)驗(yàn)室有多個(gè)不同的研究項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都需要不同類型的探測……其中許多探測由同一個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)。”

“激光器的可靠性是實(shí)驗(yàn)的首要基礎(chǔ)，我們很看重Astrella激光器的穩(wěn)定性……Astrella的高性能和長期的穩(wěn)定性，的確是我們實(shí)驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵。”—— David Hsieh 博士，格拉澤物理教授，物理系行政主任，Hsieh 研究小組首席研究員。

01 對強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的開拓性探索

Hsieh 博士的研究重點(diǎn)是量子材料，尤其是稱為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的材料。這些材料的特點(diǎn)是電子之間有強(qiáng)烈的相互作用，會(huì)導(dǎo)致與傳統(tǒng)理論相餑的特性。Hsieh 博士所做研究的一個(gè)重要部分圍繞著莫特絕緣體展開，這類材料通過電子之間的強(qiáng)烈相互作用來實(shí)現(xiàn)絕緣。莫特絕緣體與高溫超導(dǎo)體密切相關(guān)，具有奇異的磁特性，例如反鐵磁序。

Hsieh 博士的實(shí)驗(yàn)室希望使用先進(jìn)激光技術(shù)來了解這些材料的微觀特性，探索這些體系中電荷和自旋之間的相互作用，重點(diǎn)研究一種稱為哈伯德激子的準(zhǔn)粒子。傳統(tǒng)激子由庫侖力結(jié)合在一起，與此不同的是，哈伯德激子由磁相互作用結(jié)合在一起，為研究量子材料的特性提供了新方向。

02 激光技術(shù)驅(qū)動(dòng)的反鐵磁莫特絕緣體研究成果

在其最近發(fā)表的論文《A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator》中，Hsieh 博士使用 Astrella 激光器探測莫特絕緣體中的哈伯德激子的復(fù)雜動(dòng)態(tài)。1 該研究為證明穩(wěn)定哈伯德激子的存在，提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為檢驗(yàn)許多理論預(yù)測的平臺。通過利用時(shí)間分辨太赫茲光譜分析，Hsieh 博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了哈伯德激子的獨(dú)特的光譜指紋，揭示了這些激子的結(jié)合機(jī)制和相關(guān)材料的未來潛在應(yīng)用。這篇論文標(biāo)志著量子材料領(lǐng)域的一次巨大進(jìn)步，為研究這些奇特體系中自旋和電荷之間的相互作用開辟了新途徑，展現(xiàn)了 Astrella 激光器的精密性。

David Hsieh博士和同事Vivek Pareek 博士在使用 Astrella 系統(tǒng)

他在研究中常用的一種關(guān)鍵技術(shù)是泵浦/探測光譜分析。這種方法需要使用兩個(gè)同步激光脈沖：一個(gè)用于激發(fā)材料，另一個(gè)用于探測材料。Astrella 激光器具有超短脈沖和較高的脈沖能量，是這些實(shí)驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵。使用這款激光器，他的團(tuán)隊(duì)可以探索材料嚴(yán)重偏離熱平衡時(shí)的狀態(tài)，從而在飛秒和皮秒時(shí)間尺度上揭示電子的動(dòng)態(tài)、晶格振動(dòng)及其他特性。這款激光器的優(yōu)異性能確保了以最高的精度捕獲到細(xì)微現(xiàn)象和瞬變現(xiàn)象。

事實(shí)證明，Coherent Astrella 激光器是 Hsieh 博士的實(shí)驗(yàn)室不可或缺的研究工具。這款激光器產(chǎn)生的高強(qiáng)度脈沖能夠保持長時(shí)間的穩(wěn)定，這對于該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的長期實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)精度決定著實(shí)驗(yàn)的成敗。Hsieh 博士說：“Astrella 激光器具有出色的可靠性和穩(wěn)定性，使我們能夠幾乎不受實(shí)驗(yàn)室環(huán)境變化影響，專注探索量子領(lǐng)域，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。”

值得一提的是，Astrella 激光器極其可靠，在該實(shí)驗(yàn)室連續(xù)工作超過 55,000 小時(shí)（圣誕節(jié)期間除外），這是一項(xiàng)非凡的成就，體現(xiàn)了這款激光器的卓越工程設(shè)計(jì)。這種長期可靠性對于 Hsieh 博士的研究至關(guān)重要，這使得他的不同項(xiàng)目可以連續(xù)不斷地進(jìn)行，每個(gè)項(xiàng)目都推動(dòng)著量子材料科學(xué)取得新的突破。

參考文獻(xiàn)：

1. Mehio, O., Li, X., Ning, H. et al. A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator. Nat. Phys. 19, 1876–1882 (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02204-2 

文章來源：Coherent高意激光

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