美國阿岡國家實驗室（ANL）的科學家首次在半導體材料中發現了難以捉摸的振動類型，稱為希格斯模式。原子的集體運動導致晶體的對稱性發生變化，這可以調節以優化材料的特性。如果回想起學校的科學課，您會記得在氣體中，分子是鬆散地聚集並在運動；而在固體中，分子則是緊密排列且剛性，這使它們具有明確的形狀。然而，即使在固體中，原子也是不斷運動的。這其中大部分是隨機且無序的振動運動。
科學家知道，某些輸入可以將這種隨機運動轉變為協調一致的同步運動。這些振動統稱為聲子。通過調節聲子，科學家們還發現了一種影響材料結構和行為的方法。
希格斯模式在半導體材料中的應用潛力
在阿岡國家實驗室的研究中，科學家利用光來改變金屬鹵化物鈣鈦礦這種半導體材料中的聲子活動。這些材料在我們尋求建造下一代太陽能電池、高級傳感器和量子技術中至關重要。在一次實驗中，科學家們將二維鈣鈦礦晶體暴露於超快激光脈衝時，他們注意到一種複雜而難以捉摸的振動模式，這種振動調制了晶體本身的對稱性。這稱為希格斯模式。歷史上，研究人員在各種材料中發現了希格斯模式的數學類比。
希格斯玻色子在粒子物理學中的存在，或在超導性中的作用，使電流能夠無阻力地流過材料。希格斯模式是一種在系統中發生的振盪，表現出某種對稱性或秩序。它通常在系統因自發對稱破缺而經歷相變時出現。此次，ANL 的研究人員首次在半導體材料中觀察到了希格斯模式。
研究人員使用的是碘化鉛丁基鋵，一種用於製作單層半導體晶體的金屬鹵化物鈣鈦礦。發現其希格斯模式使研究人員能夠調節其能帶隙，從而使其更適合於太陽能電池的應用。半導體材料的能帶隙決定了其可以吸收哪些光頻率以產生電力，並且哪些頻率則會被散射。在實驗中，當研究人員將該半導體暴露於超快激光脈衝時，材料中的小型原子團開始振盪。這些振盪原子之間的電子相互作用也改變了它們的角度。
有趣的是，這也改變了材料的能帶隙。ANL 的科學家理查德·沙勒表示：「我們發現能帶隙會週期性且迅速地增加和減少。」他補充道：「基本上，樣本的顏色隨著不同晶體對稱性而振蕩 — 不斷變得更紅然後更藍。」
光控制材料結構的未來展望
研究人員還發現，這種希格斯模式引導晶體朝向一種無法通過加熱實現的相位。這表明基於光的材料激發與基於熱的激發是不同的，因此提供了一種探索材料相位和特性的全新方法。ANL 的博士後研究員阿尤西·舒克拉在新聞稿中表示：「如果我們能利用光來控制材料在超快時間尺度上的結構和電子變化，則它們可能在現代微電子學和量子技術中用作光學開關。」她還指出：「此外，穩定新穎的高對稱相位並降低能帶隙可能為光伏應用打開令人興奮的機會。」
此次研究成果已發表於《自然材料》期刊。
