西班牙巴塞羅那光子科學研究所（ICFO，）的Attoscience and Ultrafast Optics小組的研究人員發(fā)現了一種新的物質相，恰當地命名為“光物質混合物”，這是一項可能重塑我們對光如何與物質相互作用的理解的科學突破。發(fā)表在《自然通訊》上的這一發(fā)現不僅揭示了一種以前從未見過的材料狀態(tài)，還為光伏、高功率電子等領域的潛在應用打開了大門。在混合材料中，材料的性能會根據脈沖光的強度而改變，在一種情況下，電阻會降至接近零。

這項技術的核心是阿秒x射線吸收光譜，它使ICFO研究團隊能夠研究電子在短至十億分之一秒（阿秒）的時間尺度上暴露于強大的紅外輻射時的行為。這是通過經典的泵浦探針技術實現的，其中紅外激光脈沖將電子激發(fā)到高能態(tài)，隨后x射線束在受控的時間延遲后探測激發(fā)的電子的能量分布。

領導該研究團隊的物理學家、ICFO教授Jens Biegert說：“我們由此來測量高能態(tài)電子弛豫的速度。”通過在激發(fā)后的不同時間進行探測，他們可以完整地了解電子是如何以及何時回落到基態(tài)的。

“The strength of the light makes the difference as it modifies the material’s properties via the electrons.”
—Jens Biegert, ICFO, Barcelona

研究中使用的主要材料是石墨，選擇石墨是因為其復雜的特性。但Biegert表示，將其應用范圍擴展到廣泛的材料而采用的測量技術是通用的。唯一的要求是存在一個原子，其x射線吸收線被x射線探測器的光譜覆蓋，這使得硅等元素成為探索的可行候選材料。

研究表明，通過改變紅外光的強度，電子的性質與輻射功率相關。這種行為的偏差標志著物質進入了一個不同的階段，稱為“l(fā)ight-matter hybrid”。

Biegert解釋道：“光的強度通過電子改變材料的性質，從而產生差異。”

在這種狀態(tài)下，電子表現出比原始狀態(tài)低幾個數量級的電阻，類似于超導行為（https://spectrum.ieee.org/tag/superconductors）。雖然這項工作無法利用超導性，但它可能有助于更好地理解其中的機制。

這種輕物質混合態(tài)能持續(xù)多久是一個懸而未決的問題。但Beigert認為，有證據支持這樣一種觀點，即精心計時的脈沖序列可以顯著延長時間尺度。這項技術可能為光子集成電路或光學計算的發(fā)展開辟道路。

Biegert建議：“人們可以設想將這種快速變化作為計算的開關?；蛘呦胂笠粋€電子元件，其中不僅電子是活性成分，而且材料也會發(fā)生變化。這將使電子元件同時具有不同的功能成為可能。”

Biegert認為，這項研究也與光伏領域有關，在光伏領域，了解材料內部的確切相互作用對于提高轉換效率至關重要（https://spectrum.ieee.org/tag/photovoltaics）。他說：“不過，光伏技術的一個問題是，我們并沒有真正理解或控制材料內部的確切相互作用?！?/p>

例如，固體中光子的吸收導致從光場到原子的能量轉移，這種轉移發(fā)生在阿秒到皮秒甚至更長的時間內。利用這項技術，現在可以追蹤光學激發(fā)材料后能量的重新分布。