效率提升双光脉冲最大限度地减少相变能量

研究人员解释了一种违反直觉的现象背后的机制：如果相变是由两个光脉冲而不是一个光脉冲引发的，则使相变有效需要更少的能量。完成相变所需的能量减少了6%，并且可以进一步优化。这些结果有可能转移到其他材料上，为精确材料控制和技术创新提供新途径。

相变会物理地改变物质并均匀地改变它们的性质。一个典型的例子是沸水，它将液体转变为气相，导致体积突然变化。还有其他与技术高度相关的相变，例如光盘或蓝光光盘中的数据存储。

在光学数据存储过程中，激光脉冲改变表面材料的结构相。光盘中的记录标记是通过首先用激光熔化材料，然后将熔化的材料快速冷却到其结晶温度以下来创建的;该过程改变了熔融区域的反射率。这称为相变记录。

近年来，自从人们意识到光可以相干地驱动相变以来，使用多个激光脉冲来控制相变的想法就引起了人们的关注。相干相变很有趣，因为它们可以在两个相之间平滑地改变材料。

然而，相干控制需要两相晶体结构之间的平滑连接，并且排除了许多技术相关的转变，例如用于数据存储的硫族化物玻璃中的晶体到非晶态的转变。

由AllanJohnson博士(IMDEANanociencia)领导的研究小组展示了另一种非连贯的材料控制途径，可提高参考材料氧化钒(VO2)相变的能量效率。他们发现，当由两个脉冲而不是单个脉冲触发时，金属相和绝缘相之间的相变需要更少的能量。

研究的材料——氧化钒——是理解量子材料相变的典型系统。它位于电荷密度波系统(通过一些长波长模式转变，显示出相干性)和晶体-非晶相变(局部不相关的畸变驱动转变，显示出无序)。在高温下，氧化钒处于金属相(金红石)，但低于60°时处于绝缘相(单斜晶系)。

通常，用光脉冲激发绝缘相将二氧化钒晶体驱动为金属相。艾伦·约翰逊和他的团队使用了另一种策略。他们使用弱脉冲来准备相干振动状态，在小延迟(皮秒范围内)后用第二个光脉冲进一步激发样品。

令他们惊讶的是，他们发现材料开始转变为金属相的能量阈值取决于两个脉冲之间的延迟，并且在双脉冲方案中完成相变所需的能量减少了，与单脉冲方案相比。

显着的结果表明，多次激发可以将驱动氧化钒相变所需的能量降低多达6%。当被问及这一改进时，AllanJohnson表示：“这看起来似乎并没有节省多少能源，但该过程仍然有待优化，目前我们不知道能获得多少收益。此外，这种方法有可能被广泛应用。”应用于许多材料，这是非常有前途的。”

他们的发现最有趣的特点是，该过程可以轻松地转移到使用超快脉冲激光束的现有设备上，只需将脉冲分成两部分并延迟脉冲之间的时间即可。

与表现出结构相干性的有限材料相反，原则上可以在任何固体中诱导相关无序。因此，不均匀晶种策略可能适用于广泛的固体，包括能源和数据存储应用中使用的固体。

约翰逊博士灵光一闪，意识到他们的X射线数据(在日本X射线激光设施连续三天三夜不间断获取)与他们自己实验室的多脉冲实验相匹配。他们解释说，控制机制涉及极化子的形成，极化子是由于多余电子或空穴与离子振动的耦合而形成的准粒子。

值得注意的是，虽然其他科学家在实验室数据中观察到了类似的现象，但迄今为止这些观察结果背后的机制仍然难以捉摸。艾伦·约翰逊和他的合作者阐明了潜在的过程，强调极化子的形成及其在特定方向上的排序是减少金属相能量损失的关键因素。通过激发这种无序运动状态来驱动相变可以用更少的能量来实现。

此外，与其他提高效率的方法相比，动态势垒降低意味着科学家能够选择性地减少激光驱动相变所需的能量，而不会增加热切换的可能性。

该成果发表在《自然·物理学》杂志上。这项研究的影响超越了基础科学，为精确材料控制和技术创新提供了新途径。随着团队不断优化方法并探索新材料，材料科学和光学控制领域变革性进步的潜力仍然很大。

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