来源：David Nutt, 康奈尔大学（Cornell University），编辑：Lisa Lock，审校：Robert Egan；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 高慧 编译

    康奈尔大学工程学院的研究人员已经证明，通过用超快脉冲的低频红外光轰击合成薄膜，可使其晶格以每秒数十亿次的频率进行原子级膨胀和收缩——这种应变驱动的"呼吸"效应有望用于快速切换材料的电子、磁性或光学特性。

    该项研究发表于《Physical Review Letters 》。论文共同第一作者为前博士后研究员Jakob Gollwitzer与博士生Jeffrey Kaaret。

    据该项目共同负责人、材料科学与工程系副教授Nicole Benedek表示，虽然通过拉伸和压缩材料来诱导应变是调控其特性的常用方法，但利用光实现该目的的研究仍较为缺乏。该项目由她与康奈尔大学工程学院材料科学与工程系副教授Andrej Singer共同领导。

    "在理论层面，任何涉及光的研究都会立即变得异常复杂，"Benedek表示，"当材料与光相互作用时，我们实际上并不清楚微观层面的具体过程，因此必须尽可能从实验中收集信息以构建模型。"

    Benedek运用计算理论预测了最优光频及其他实验参数，这些参数与合适的材料相结合可实现可逆的'动态'应变。

    "通常我们在应变条件下生长材料时，一旦材料合成完毕，应变就固定不可变了，"Benedek解释道，"但这种动态应变会导致形状发生极短暂的改变，随后立即恢复原状。"

    研究人员确定，通过发射皮秒级太赫兹光脉冲即可获得所需形变。该光频与声子频率相同——声子是一种晶格振动模式，作为光子的声学等价物，以声波形式在材料中传播。

    "原子会像秋千上的孩童般围绕其平衡位置摆动，"Singer比喻道，"若以正确频率推动，就能增大原子摆动幅度——这正是我们的工作核心。我们通过调频激发特定原子运动，使晶格快速膨胀。光线生成了一种全新材料状态，这是其他方法无法实现的。"

    研究人员需要匹配合适的材料来实现该过程。他们选择了铝酸镧——这种薄膜材料并不起眼，事实上相当平庸。

    而这正是选择它的原因。

    “其常态下不具备任何令人兴奋的特性，”Benedek表示，“由于理论建模极为复杂，我们需要尽可能简单的体系，且该材料已受到光学领域的关注。选择它本是为了简化研究，但结果却展现出非凡意义。”

    研究团队求助于康奈尔大学工程学院（Cornell Engineering）材料科学与工程系的 Tisch 大学教授Darrell Schlom，他通过氧化物分子束外延技术合成了该材料。实验由斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室的合作人员利用自由电子激光器完成。

    分析证实，用超快太赫兹光脉冲轰击声子可诱导预期应变。但更有趣的是：研究人员发现该过程永久增强了铝酸镧的结构。

    "这完全出乎我们意料，"负责X射线表征工作的Singer表示，"该材料原本存在多个同构但取向不同的畴区，由畴壁分隔。受激声子在畴壁处形成新结构，并沿薄膜表面横向传播——我们诱导出了更结晶化、更有序的状态。"

    所有材料都存在应变极限，其伸缩程度具有上限。但现在利用低频光开启了新机遇，例如在同一材料中实现两种状态的切换，调控电子与磁性属性的开关，以及诱导超导所需的结构重排。

    "理论、合成与表征技术的结合，使我们能理解光如何与复杂氧化物材料家族相互作用，并获取标准方法无法实现的特性，"Singer总结道。

    更多信息：Jakob Gollwitzer et al, Picosecond Expansion in LaAlO3 Resonantly Driven by Infrared-Active Phonons, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/vzkw-n2bm