科學技術(shù)在量子力學領(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，以揭示強關(guān)聯(lián)電子體系的復雜相互作用。他的研究大大推動了對這些相互作用產(chǎn)生的奇特現(xiàn)象的了解。這項突破性工作的用到的核心設備是 Coherent Astrella 激光器。

這款激光器對于 Hsieh 博士的研究功不可沒，使他和他的團隊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，僅供我們的實驗室使用…… 但我們的實驗室有多個不同的研究項目，每個項目都需要不同類型的探測……其中許多探測由同一個激光器驅(qū)動。”

“激光器的可靠性是實驗的首要基礎(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，的確是我們實驗取得成功的關(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 對強關(guān)聯(lián)電子體系的開拓性探索

Hsieh 博士的研究重點是量子材料，尤其是稱為強關(guān)聯(lián)電子體系的材料。這些材料的特點是電子之間有強烈的相互作用，會導致與傳統(tǒng)理論相餑的特性。Hsieh 博士所做研究的一個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烈相互作用來實現(xiàn)絕緣。莫特絕緣體與高溫超導體密切相關(guān)，具有奇異的磁特性，例如反鐵磁序。

Hsieh 博士的實驗室希望使用先進激光技術(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，重點研究一種稱為哈伯德激子的準粒子。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雜動態(tài)。1 該研究為證明穩(wěn)定哈伯德激子的存在，提供了實驗數(shù)據(jù)，可作為檢驗許多理論預測的平臺。通過利用時間分辨太赫茲光譜分析，Hsieh 博士的團隊發(fā)現(xiàn)了哈伯德激子的獨特的光譜指紋，揭示了這些激子的結(jié)合機制和相關(guān)材料的未來潛在應用。這篇論文標志著量子材料領(lǐng)域的一次巨大進步，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同步激光脈沖：一個用于激發(fā)材料，另一個用于探測材料。Astrella 激光器具有超短脈沖和較高的脈沖能量，是這些實驗取得成功的關(guān)鍵。使用這款激光器，他的團隊可以探索材料嚴重偏離熱平衡時的狀態(tài)，從而在飛秒和皮秒時間尺度上揭示電子的動態(tài)、晶格振動及其他特性。這款激光器的優(yōu)異性能確保了以最高的精度捕獲到細微現(xiàn)象和瞬變現(xiàn)象。

事實證明，Coherent Astrella 激光器是 Hsieh 博士的實驗室不可或缺的研究工具。這款激光器產(chǎn)生的高強度脈沖能夠保持長時間的穩(wěn)定，這對于該實驗室進行的長期實驗至關(guān)重要，因為實驗精度決定著實驗的成敗。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驗室環(huán)境變化影響，專注探索量子領(lǐng)域，確保結(jié)果的準確性和可重復性。”

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

參考文獻：

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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