物理学家一直在试图确定可靠的策略来操纵固态材料，冷原子和其他系统中的量子态，因为这可以为新技术的发展提供信息。这些策略之一是Floquet工程，它需要周期性地驱动物质的量子态。

清华大学、北京航空航天大学和中国科学院的研究人员最近展示了Floquet带工程在模型半导体(即黑磷)中的实验实现。他们的论文发表在《自然》杂志上，可以为未来的研究工作提供信息，探索半导体材料的Floquet工程，并试图实现光诱导的新兴现象，如光诱导拓扑相变。

“光物质相互作用在实验凝聚态物理和材料科学中起着关键作用，不仅作为揭示低维量子材料基础物理学的实验探针，而且更重要的是，作为操纵电子结构和量子态的有效控制旋钮在非平衡状态下，”发起和指导这项研究的周淑云告诉 Phys.org。

“这种非平衡控制为诱导超出平衡状态的新物理现象提供了迷人的机会。沿着这条路线，通过时间周期场(即Floquet工程)定制物质的量子态在过去几十年中引起了广泛的兴趣。

过去的研究已经将Floquet工程应用于凝聚态系统，冷原子和光晶格。理论工作还预测了基于Floquet工程的有趣现象，例如光诱导拓扑相变。然而，Floquet工程的实验证据仍然相对稀缺。

“许多基本问题仍有待通过实验结果来回答，”周说。“例如，在实际实验条件下，Floquet工程能否在半导体中实现?解决这个问题很重要，因为半导体广泛用于电子和光电器件。

几年来，周和他的同事们一直在努力寻找研究光诱导新兴现象和实现半导体中的Floquet工程的有利方法和实验条件。这可能特别具有挑战性，因为Floquet工程需要低光子能量和强峰值电场。

为了满足这些要求，研究人员开发了应用高强度中红外泵浦脉冲的仪器。在他们的实验中，他们将这些工具与一种称为时间和角度分辨光发射光谱(TrARPES)的最先进的测量方法相结合。

“我们选择了一个几乎理想的半导体样品 - 具有小带隙和高迁移率的高质量黑磷，这可能有利于实现Floquet工程，”周说。“我们研究中最具挑战性的方面是，这仍然是一个广泛未开发的领域，目前尚不清楚哪些实验条件(泵浦光子能量，泵浦偏振等)有利于诱导光诱导操纵电子结构。这就像在黑暗中搜索一样，我们花了好几年的时间才观察到一些东西。

Zhou和他的同事们最终能够通过系统地微调样品中的光子能量，偏振和时间延迟来观察黑磷中光驱动的瞬态Floquet波段结构调制。这是Floquet带工程在半导体中的首次实验演示。

“我们的工作为半导体的Floquet工程提供了重要的见解，强调了共振泵浦的重要性，”周说。“虽然光学跃迁通常被认为对Floquet状态有害，但我们的工作表明，对于半导体来说，共振泵浦可能是有利的，甚至对Floquet波段工程至关重要。这一令人惊讶的发现为在量子材料中寻找Floquet工程提供了一条途径。

这组研究人员最近的工作是实现光诱导拓扑相变的重要一步，光诱导拓扑相变是量子物理学领域的一个关键目标。因此，他们的发现可能很快为旨在在超快时间尺度上瞬时操纵拓扑态的新研究铺平道路。

周和他的同事使用的实验方法对于实现具有更强泵浦极化选择性的晶格对称性强制Floquet带工程非常有希望。这些方法可用于可靠地打开和关闭半导体中的Floquet波段，这可以支持新型高速器件的开发。

在这项工作中研究出Floquet工程的伪自旋选择规则背后的理论的理论家之一Peizhe Tang评论说：“这项工作清楚地表明，Floquet工程物理学可以通过伪自旋进一步丰富，伪自旋是一种类似于自旋的量子自由度。

“这项工作为通过Floquet工程向拓扑相变迈出了重要一步，”周补充说。“下一步将是实现光诱导拓扑相变，甚至通过Floquet工程在超快的时间尺度上诱导拓扑平凡材料中的非平凡拓扑。此外，我们希望将Floquet工程扩展到更多的固态材料。