這樣的想法可能聽起來有些異想天開。但它是一個名為 Floquet 工程學的新物理學領域的核心。該領域的研究人員研究重複性影響（例如精心調節的光）如何暫時改變材料內電子的行為？當這種情況發生時，半導體等熟悉的物質可能會在短時間內獲得不尋常的特性。這包括通常與超導體相關的行為。
儘管 Floquet 物理學背後的基本理論可以追溯到 Oka 和 Aoki 在 2009 年的提議，但實驗證明一直很困難。在過去的十年中，只有少數試驗成功證明了 Floquet 的明顯效果。一個主要限制是需要非常高強度的光。這些高能量水平幾乎摧毀了材料，但仍然只產生了微小的變化。
激子提供了一種更有效的替代方案。
現在，研究人員已經找到了一種有前途的新方法，可以在不依賴如此惡劣的照明條件的情況下實現 Floquet 效果。由沖繩科學技術研究所 (OIST) 和斯坦福大學領導的一個全球團隊表明，興奮劑比單獨光能更有效地產生這些效應。研究結果發表在《自然物理學》雜誌上。
OIST 飛秒光譜部門的 Keshav Dani 教授表示：“由於激子具有很強的庫侖相互作用，因此是比光子強得多的材料。在二維材料中尤其如此”，它們能夠實現強大的 Floquet 效應，同時避免光帶來的挑戰。考慮到這一點，我們為 Floquet 工程所承諾的奇異的未來量子器件和材料提供了一條潛在的新途徑。 ”
這種方法指出了控制量子材料同時降低損壞風險的新途徑。
Floquet 工程如何改變量子材料
長期以來，Floquet 工程一直被視為利用傳統半導體製造定制量子材料的一種可能方法。這個概念基於熟悉的物理原理。當系統經歷重複的影響時，系統的響應可能比重複本身更複雜。一個簡單的例子是操場上的鞦韆。儘管動作保持有節奏，但按時間會增加擺動。
在量子材料中，電子已經具有重複結構，因為原子排列成有序的晶格。這種空間重複將電子限制在稱為能帶的特定能級。當恆定頻率的光與晶體相互作用時，會產生第二種影響，這種影響會隨著時間的推移而展開。當光子與電子以有節奏的方式相互作用時。允許的功率帶將會改變。
通過仔細調整光的頻率和強度。電子可以暫時佔據新的混合能帶。這些變化影響電子的運動和反應。這改變了材料的整體特性。當燈關閉時，材料恢復到原來的狀態。然而，在相互作用過程中，研究人員可以有效地賦予材料新的量子行為
為什麼基於光的方法會失敗？
“到目前為止，Floquet 工程一直是輕量級推進的代名詞，”OIST 博士生朱星說。 “但是，雖然這些系統在證明 Floquet 效應的存在方面發揮了重要作用，但光對的重要性卻不那麼重要。這意味著需要非常高的頻率（通常在飛秒級別）才能實現雜交。如此高的能量水平往往會蒸發材料。而且效果非常短暫。相比之下，激子 Floquet 工程需要低得多的強度。”
這一挑戰減緩了實際應用的進展。
什麼是激子以及它們為何重要？
當電子吸收能量並從價帶中的靜止態躍遷到導帶中的更高能態時，激子在半導體內部形成。這個過程留下帶正電的空穴。電子和空穴作為短命準粒子保持連接在一起，直到電子反彈並發光。
這是由於材料的電子引起的激發。它們與周圍結構的相互作用比與外部光的相互作用更強烈。它們還攜帶來自初始刺激的振動能量。它以可調頻率影響附近的電子。
“激子通過初始激發而擁有自己的振動能量，以可調頻率影響材料中周圍的電子。這是因為激子是由材料自身的電子產生的。因此，它們與材料的耦合比與光的耦合更多，重要的是，創建一群足夠密集的激子以充當雜交的有效週期性驅動器所需的光要少得多——這就是我們現在所觀察到的，”合著者、羅馬托爾大學的 Gianluca Stefanucci 教授解釋道。維加塔。
使用先進的光譜捕捉效果。
這一進展建立在 OIST 多年的激子研究基礎上。以及強大的 TR-ARPES（時間和角度分辨光學成像光譜）系統的開發。
為了將光的影響與刺激分開，該團隊研究了原子薄的半導體。首先，他們使用強光驅動（即光）來直接觀察電子頻帶結構的變化。為了確認預期的 Floquet 行為，他們將光強度降低了一個數量級以上。並在 200 飛秒後測量了電子響應。這段時間使他們能夠排除激子貢獻。
“這些實驗不言自明，”OIST 畢業生、現任加州理工學院博士後研究員 Vivek Pareek 博士說。 “我們花了幾十個小時的數據收集來用光觀察 Floquet 模型，但只花了大約兩個小時就得到了激子 Floquet，而且結果要強得多。”
走向實用量子材料的設計
結果表明，Floquet 效果並不局限於基於光的技術。它也可以使用光子以外的玻色子粒子可靠地創建。激子 Floquet 工程使用的能量比光學方法少得多。並為更廣泛的工具打開了大門。
原則上，使用聲子可以實現類似的結果。 （使用聲振動）、等離子體激元（使用自由浮動電子）、磁振子（使用磁場）和其他激勵。這些可能性使 Floquet 工程更接近實際應用。以及新量子材料和器件的創造。可靠的
研究共同第一作者、倫敦大學學院前 OIST 研究員 David Bacon 博士總結道：“我們為 Floquet 物理學的應用打開了大門，它具有多種玻色子。這非常令人興奮。這是因為它具有創造和直接操縱量子材料的強大潛力。我們還沒有這方面的公式。但現在我們有了第一個實際步驟所需的光譜特徵。”
