馬克斯·普朗克生物物理化學研究所和哥廷根大學的研究人員利用原子的振蕩來控制相變，從而控制固體表面的晶體結構。該最新研究成果論文，題為：「表面結構相變的相干控制」，發表在今天的《自然》雜誌上。
飛秒化學（femtochemistry）是物理化學的一支，研究在極小的時間內化學反應的過程和機理；這一領域涉及的時間間隔短至約10的負15次方秒，即1飛秒，這也就是這個化學分支名稱的來源。1999年，艾哈邁德·澤維爾（Zewail A）因他在這一領域的開創性的研究而獲得諾貝爾化學獎。澤維爾運用飛秒雷射光束拍攝下反應過程中的變化及生成的中間體。
飛秒化學的目標是用短的閃光來記錄和控制化學反應，使用連續的雷射脈衝，原子鍵可以精確激發並根據需要斷開。到目前為止，已針對選定的分子證明了這一點。該研究團隊現已成功地將這一原理轉化為固體，從而控制了其表面的晶體結構。
研究小組將銦的極薄層蒸發到矽晶體上，然後將晶體冷卻至-220攝氏度。儘管銦原子在室溫下在表面上形成導電金屬鏈，但在如此低的溫度下，銦原子自發地重排成電絕緣的六邊形。該過程稱為金屬和絕緣兩相之間的過渡，可以通過雷射脈衝進行切換。在他們的實驗中，研究人員隨後用兩個短雷射脈衝照亮了冷表面，隨後立即使用電子束觀察了銦原子的排列。他們發現，雷射脈衝的節奏對表面轉換為金屬狀態的效率有很大影響。
研究人員解釋說：「為了從一種狀態進入另一種狀態，原子必須朝不同的方向移動，從而克服了某種就像過山車一樣，單個雷射脈衝還不足以使原子來回擺動，但是像搖擺運動一樣，在適當的時間產生第二個脈衝可以為行星提供足夠的能量系統，使過渡成為可能。」在他們的實驗中，物理學家觀察到原子的幾次振蕩，這些振蕩以非常不同的方式影響轉化。
論文作者之一、馬克斯·普朗克生物物理化學研究所所長、克勞斯·羅珀斯（Claus Ropers）表示：「我們的研究結果顯示了控制原子級光能轉換的新策略。」 「利用雷射脈衝序列有針對性地控制固體中原子的運動，也有可能創造出以前無法獲得的具有全新物理化學性質的結構。」他們的發現不僅有助於對快速結構變化的基本理解，而且為表面物理學開闢了新的前景。
參考：Coherent control of a surface structural phase transition, Nature. Published: 08 July 2020