未来仪器：Nature Materials揭示未知极性超纹理的光控量子材料

【研究背景】

光诱导相变是量子材料领域中的重要现象，因其能够在超快时间尺度上通过外部刺激实现材料性质的可逆调控，成为了研究热点。然而，这一过程存在着相位异质性和竞争问题，特别是在极化超结构的形成和稳定性方面尚存诸多挑战。

有鉴于此，美国阿贡国家实验室John W. Freeland研究员、宾夕法尼亚州立大学Venkatraman Gopalan教授、阿贡国家实验室Wen Haidan研究员团队合作结合动态介观理论，提出了一种新的范式，通过控制光的特性来生成新的亚稳态极化超结构。

在该研究中，使用单次激发的光泵浦和超快X射线衍射测量方法，分析了(PbTiO3)16/(SrTiO3)16超晶格在外部光激发下的相变过程，并利用高时间分辨率探测技术详细揭示了极化和结构演化的动力学过程。结果表明，通过调控光的特性，可以在未探索的非平衡态中驱动相位异质性进入新的功能状态，展示了利用光调控量子材料中的相位竞争来获得新型功能的巨大潜力。

【仪器亮点】

本文通过结合动态中尺度理论，利用光特性在异质结构中的控制，首次研发了一个新型仪器，能够生成未发现的亚稳极性超纹理。这一创新为理解相异质性和竞争提供了新思路，揭示了在外部刺激下设计异质相的潜力及其相互竞争和合作的机制。

具体来说，本文针对极性相的调控现象，通过单次光泵浦与超快X射线衍射测量的分析，获得了相变过程中的重要信息，揭示了光诱导相转变在超快时间尺度上的新特性。在这一过程中，研究人员使用了SPring-8和Linac Coherent Light Source（LCLS）的XFEL和X射线泵浦-探针技术，成功捕捉了在激光脉冲照射下样品相变的瞬时状态。这一系列先进的测量手段，不仅允许对样品的相变过程进行实时观察，还为探索量子材料中相异质性开辟了新的途径。

在此基础上，通过光泵浦与X射线衍射的结合，本文着重研究了光与物质之间的相互作用如何驱动极性有序及其动态变化。这一新颖的仪器使得对相的非平衡路径下的新功能进行深入研究成为可能，尤其是在超快时间尺度上，激发了对新兴电子和磁性相的探索。研究结果显示，光的作用可以在量子材料中产生前所未有的相变现象，从而为设计新型材料和器件提供了新的理论依据和技术路径。

对VSC形成的非易失性动力学的单次探测。

【结论展望】

本文的研究揭示了通过控制光的特性，可以在异质结构中生成未知的亚稳态极性超纹理。这一发现不仅拓宽了对相变和相竞争的理解，还为设计具有特殊功能的异质相提供了新的可能性。研究中利用单次光泵浦和超快X射线衍射等先进技术，探讨了相干光和物质之间的耦合方式，展示了光如何在超快时间尺度上增强有序性，打破了传统的相互作用机制。

此外，本文还强调了相位异质性在量子材料中的普遍性，以及如何通过非平衡途径探索未开发的状态。这种方法有望推动电子和磁性相的涌现，激发出丰富的功能。通过相场模拟，研究者模拟了光激发过程中样品的结构、载流子和温度演变，为理解相变过程提供了更深入的见解。总的来说，这项研究不仅为新型材料的设计与应用提供了理论基础，也为探索光与物质相互作用的潜在机制开辟了新的研究方向。

文献信息：Stoica, V.A., Yang, T., Das, S. et al. Non-equilibrium pathways to emergent polar supertextures. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01981-2