加州理工学院案例：利用先进激光技术揭开量子的奥秘

时间： 2024-12-26 来源：COHERENT官网

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“可靠性始终是首要问题。Astrella 激光器的稳健性很吸引我们…… 获得高性能和长期稳定性的确是我们的实验取得成功的关键。”

— David Hsieh 博士，格拉泽物理教授、物理系行政主任兼 Hsieh 研究小组首席研究员

技术突破大大拓宽了我们对宇宙的了解，推动着科学发现，尤其是在量子力学领域。Max Planck 提出的量子理论是这个领域诞生的基础，为量子力学奠定了基础，对于探索原子和亚原子现象至关重要。

如今，加州理工学院 Hsieh 研究小组首席研究员 David Hsieh 博士正走在这场探索之旅的前沿，致力于研究量子材料，以揭示强关联电子体系的复杂相互作用。他的研究大大推动了对这些相互作用产生的奇特现象的了解。这项突破性工作的核心是使用 COHERENT Astrella 激光器。这款激光器对于 Hsieh 博士的研究取得成功功不可没，使他和他的团队能够以前所未有的精度和准确度探测和操控量子材料，并为 Hsieh 博士提供了无与伦比的多功能性。为了拓展激光器的多功能性，Hsieh 表示：“激光器仅供我们的实验室使用，而不是作为共享仪器…… 我们的实验室有几个由不同资助计划资助的项目，每个项目都需要不同类型的探测……其中许多探测由相同的激光器驱动。”

对强关联电子体系的开拓性探索

Hsieh 博士的研究重点的量子材料，尤其是称为强关联电子体系的材料。这些材料的特点是电子之间有强烈的相互作用，会导致与传统认知相饽的共同特性。Hsieh 博士所做研究的一个重要部分围绕着莫特绝缘体展开，这类材料通过电子之间的强烈相互作用来实现绝缘。莫特绝缘体与高温超导体密切相关，具有奇异的磁特性，例如反铁磁序。

Hsieh 博士的实验室希望使用先进激光技术来了解这些材料的微观特性，探索这些体系中电荷和自旋之间的相互作用，主要重点研究一种称为哈伯德激子的准粒子。传统激子由库仑力结合在一起，与此不同的是，哈伯德激子由磁相互作用结合在一起，为研究量子材料的特性提供了新见解。

激光器驱动的反铁磁莫特绝缘体研究成果

在其最近发表的论文《A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator》中，Hsieh 博士使用 Astrella 激光器探索了莫特绝缘体中的哈伯德激子的复杂动态。¹ 该研究提供了实验证据来证明稳定哈伯德激子的存在，可作为检验许多理论预测的平台。通过利用时间分辨太赫兹光谱分析，Hsieh 博士的团队发现了哈伯德激子的独特光谱指纹，揭示了这些激子的结合机制和相关材料的未来潜在应用。这篇论文标志着量子材料领域的一次巨大进步，为研究这些奇特体系中自旋和电荷之间的相互作用开辟了新途径，还展现了 Astrella 激光器的精密性。

他在研究中常用的一种关键技术是泵浦/探针光谱分析。这种方法需要使用两个同步激光脉冲：一个用于激发材料，另一个用于探测材料。Astrella 激光器具有超短脉冲和较高的场强度，是这些实验取得成功的关键。这些脉冲使他的团队可以探索在材料严重偏离热平衡状态时会发生什么情况，从而在飞秒和皮秒时间尺度上揭示电子的动态、晶格振动及其他特性。这款激光器的优异性能确保了能够以最高的精度捕获要研究的细微现象和瞬变现象。

事实证明，Coherent Astrella 激光器是 Hsieh 博士的实验室不可或缺的研究工具。这款激光器能够长时间产生稳定的高强度脉冲，这对于该实验室进行的长期实验绝对至关重要，因为精度决定着这些实验的成败。Hsieh 博士说：“Astrella 激光器具有出色的稳健性和稳定性，使我们能够几乎不受环境变化影响地专注探索量子领域，确保结果的准确性和可重复性。”

David Hsieh 博士和同事 Vivek Pareek 博士在使用 Astrella 系统

值得一提的是，Astrella 激光器极其可靠，在该实验室连续投入使用超过 55,000 小时（圣诞节期间除外），这是一项非凡的成就，体现了这款激光器的卓越工程设计。这种长期可靠性对于 Hsieh 博士的研究至关重要，因为这使得多个项目可以连续不断地前进，每个项目都推动着量子材料科学取得新的突破。

参考文献：

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

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