Light-induced interlayer spacing dynamics via orbital phonon coupling
本研究表明，轨道选择性光学激发可以通过不同的载流子弛豫机制动态控制三层 1T'-WSe2 和 1T'-WS2 的层间距，从而为调控层状范德华材料的电子特性提供了一条途径。
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想象一下一叠极其薄的纸，每一层都只有单个原子的厚度。在材料科学领域，这些被称为二维材料。它们表现得与我们日常接触到的厚实物质不同，因为它们的电子被限制在一个平面内，从而产生了独特的电学性质。当科学家将这些原子层堆叠在一起时，它们并不会融合为一个固体块，而是像一副扑克牌一样相互叠放，由微弱的力维系。这些层之间的距离是一个关键的“旋钮”，控制着电如何在材料中流动。如果这些层靠近或远离，材料可以从绝缘体转变为导体，甚至改变其基本的量子本质。多年来，研究人员一直在寻找一种能够瞬间控制这种间距的方法，即利用光在不进行物理接触的情况下推动或拉开这些层。
一支研究团队现在已经展示了如何使用超快激光脉冲来实现这种控制。通过向特定颜色的光发射精确的脉冲，他们能够让一种名为二硒化钨的材料层相互挤压，而另一种类似的材料——二硫化钨，则向外扩张。这种行为的关键在于电子本身。当激光击中材料时，它会激发电子，使电子从一种类型的原子轨道移动到另一种。在第一种材料中，这种运动清除了层间空间的电子，使得层能够向内塌陷。在第二种材料中，光将额外的电子推入层间隙，导致它们相互排斥并彼此推开。这一发现表明，运动的方向并非随机，而是由光激发的特定原子轨道所决定的。
科学家们将研究重点放在了这三种材料的堆叠上，这种结构足够复杂以展示有趣的电子行为，但也足够简单以便进行详细建模。他们利用强大的计算机模拟，观察了激光脉冲冲击后万亿分之一秒内发生的变化。在二硒化钨堆叠的情况下，他们发射了一个光子能量为 0.6 电子伏特的激光。这种特定颜色的光导致层收缩，呈现出一种节奏性的、波浪式的运动。模拟显示，这是因为光将电子从层间的硒原子中剥离，并移动到了钨原子上。由于层间用于推开彼此的电子减少，层与层之间的自然吸引力使它们结合得更紧。这种运动平滑且可预测，类似于一种简单的往复振荡，且随着激光强度的增加而增强。
相比之下，当研究人员施加另一种能量更高（3.0 电子伏特）的激光作用于二硫化钨堆叠时，结果恰恰相反。层向外移动，扩大了间隙。在这里，光的作用发生了逆转：它将电子从钨原子推向位于层间空间的硫原子。层间间隙中额外电子的积累产生了一种斥力，将层彼此推开。与第一种材料不同，这种扩张不仅仅是在一个点周围振荡；层移动到了一个新的、更宽的平衡位置。研究人员发现，这种复杂的行为需要两条不同的路径供受激电子弛豫，而不仅仅是一条。一组电子移动迅速，而另一组停留时间较长，这两类不同速度的结合创造了平衡位置的偏移。
为了理解为什么这两种相似的材料表现得如此不同，团队构建了简化的电子行为模型。他们发现，二硒化钨可以用一个简单的系统来描述，即电子从基态跃迁到单个激发态，产生一个将层拉拢的直接力量。然而，二硫化钨需要一个涉及两个具有不同衰减速率的不同激发态的更复杂的模型。这种电子弛豫方式的差异解释了为什么一种材料只是振动，而另一种则稳定在一个新的、扩张的状态。研究表明，电子周围的具体排列方式——即其轨道特性——决定了光会导致材料收缩还是膨胀。
该研究还计算了材料的导电能力随层间距变化的现象。对于二硒化钨，挤压层使其靠得更近会缩小电子必须跨越的能隙，最终使材料转变为半金属。对于二硫化钨，拉开层会打开能隙，使其转变为拓扑绝缘体——这是一种特殊的物质状态，电流仅在表面流动。这表明，通过调节光的颜色和强度，科学家可以按需在不同的电子相之间切换材料。虽然这些结果来自计算机模拟，但作者指出，可以通过超快 X 射线衍射实验观察层的移动，并利用专门的光谱技术追踪电子，从而对这些结果进行实验验证。
这项工作将微观世界的电子轨道与宏观世界的原子层运动联系了起来。它表明，光不仅仅是加热或破坏化学键的工具，更是重塑材料内部结构的精密仪器。通过选择正确的光的颜色，研究人员可以有选择性地针对特定的电子路径，利用由此产生的电荷重新分布来压缩或扩张层间距。这种轨道选择性控制提供了一种调节层状材料性质的新方法，有望开发出能够通过闪光实现瞬时重构的器件。该研究在电子排列、电子受激后的弛豫方式以及材料物理结构响应之间建立了明确的联系，为未来的光驱动材料科学研究提供了路线图。
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