新发现释放电子产品神奇材料的潜力石墨烯弗洛凯态首次被直接观测

信息来源：
https://www.myscience.org/en/news/2025/discovery_unlocks_potential_of_miracle_material_for_future_electronics-2025-uni-goettingen

德国哥廷根大学领导的国际研究团队成功在石墨烯中直接观测到弗洛凯态，这一突破性发现解决了量子材料学领域的长期争议，并为开发下一代可光控电子器件开辟了全新路径。这项发表在《自然·物理学》杂志上的研究证实了弗洛凯工程技术在金属和半金属量子材料中的有效性，可能彻底改变未来的电子学、量子计算和传感器技术。

弗洛凯效应是指在周期性光脉冲作用下，材料的电子结构会发生可控的周期性变化，从而产生全新的量子态。这种现象最初由法国数学家加斯顿·弗洛凯在19世纪末提出的数学理论中预测，但在实际材料中的观测一直是科学界面临的重大挑战。此次研究不仅首次在石墨烯中直接证实了这一效应的存在，更重要的是验证了利用光脉冲精确控制材料性质的可行性。

研究团队采用了先进的飞秒动量显微镜技术来捕捉这一瞬间发生的量子现象。该技术的工作原理是首先用超短激光脉冲激发石墨烯样品，然后使用延迟的探测脉冲来追踪材料中电子动态的变化过程。通过分析光发射光谱中的特征信号，研究人员得以直接观察到弗洛凯态的形成和演化。

量子工程的重大进展

莉娜·塞格勒 (Lina Segerer) 的昆斯特林 (Lina Segerer) 的物理现象：《图片报》，狄拉克锥体在 Graphen 中与 Floquet-Zuständen 结合在一起，在光脉冲作用下发生。我是石墨烯三维电子结构的中枢 - 狄拉克-凯格尔的代表 - 光的复制品。照片：Lina Segerer (www.linasegerer.de)

这一发现的科学意义远超单纯的理论验证。研究的第一作者、哥廷根大学物理学家马尔科·梅博尔特博士指出，他们的测量结果清楚地证明了弗洛凯效应确实存在于石墨烯的光发射光谱中，这明确表明弗洛凯工程在这类系统中确实有效。

弗洛凯工程作为一种革命性的材料调控技术，其核心思想是通过精确控制的光脉冲来实时改变材料的电子性质。与传统的化学掺杂或物理加工方法不同，这种技术可以在极短时间内可逆地调节材料特性，为设计具有特定功能的智能材料提供了前所未有的灵活性。

石墨烯作为首个被成功分离的二维材料，其独特的电子结构使其成为研究弗洛凯效应的理想平台。由于石墨烯中的电子遵循相对论性的狄拉克方程，其电子行为展现出许多奇特的量子性质。当周期性光场作用于石墨烯时，会在其能带结构中产生新的能级，这些弗洛凯能级具有与原始材料完全不同的电子传输性质。

共同领导这项研究的马塞尔·罗伊泽尔教授强调了这一发现的技术潜力。他表示，研究结果开辟了利用光控制量子材料电子态的新途径，这可能导致以有针对性和可控的方式操纵电子的全新技术。这种精确的电子控制能力对于开发高性能电子器件具有重要意义。

拓扑量子态的新机遇

研究团队特别关注的一个方面是弗洛凯工程在创造和调控拓扑量子态方面的潜力。拓扑态是一类具有特殊稳定性的量子态，其性质不会因为材料的小幅扰动而改变。这种稳定性使得拓扑材料在量子计算和高精度传感器等应用中具有独特优势。

罗伊泽尔教授指出，通过弗洛凯工程技术，研究人员现在可以在原本不具备拓扑性质的材料中人工诱导出拓扑态。这一能力为设计新型拓扑材料开辟了广阔的可能性，可能在开发可靠的量子计算机或未来新型传感器方面发挥关键作用。

拓扑绝缘体和拓扑超导体等材料由于其边界态的特殊性质，被认为是构建容错量子计算系统的重要基础。然而，自然界中具有所需拓扑性质的材料相对稀少，制备工艺也往往复杂。弗洛凯工程技术的成功应用意味着科学家可以在更广泛的材料体系中按需创造拓扑态,这将大大加速相关技术的发展进程。

在石墨烯中观测到的弗洛凯态还展现出了丰富的物理现象。研究发现，不同频率和强度的光脉冲可以诱导出具有不同性质的弗洛凯态，这为实现多功能器件提供了可能。例如，通过调节激光参数，可以使同一块石墨烯样品在导体、半导体甚至绝缘体状态之间切换。

技术应用前景广阔

这项研究的应用前景涵盖了从基础电子器件到先进量子技术的广泛领域。在传统电子学方面，光控量子材料可能催生出响应速度更快、功耗更低的新型晶体管和开关器件。由于弗洛凯态可以在飞秒级时间内建立和消除，基于这一原理的器件有望实现前所未有的工作频率。

在能源技术领域，可控的弗洛凯态可能为开发高效太阳能电池和先进储能设备提供新的思路。通过精确调控材料的光电性质，可以优化光能转换效率和电荷存储性能。这种动态调控能力还可能实现自适应能源器件，能够根据环境条件自动优化其工作状态。

柔性电子学是另一个可能受益的重要应用领域。石墨烯本身就具有优异的机械柔性,结合弗洛凯工程技术,可以开发出既柔性又可光控的电子器件。这类器件在可穿戴设备、柔性显示屏和生物医学传感器等应用中具有巨大潜力。

量子信息技术可能是这一发现最重要的应用方向之一。弗洛凯态的可控性和拓扑保护特性使其成为量子比特的理想载体。基于光控拓扑态的量子比特不仅具有长相干时间,还可以通过光脉冲实现快速操控,这对于构建实用化的量子计算机至关重要。

传感器技术同样面临着革命性的发展机遇。利用弗洛凯态对外界扰动的敏感响应,可以开发出灵敏度极高的量子传感器。这类传感器在磁场测量、化学检测和生物分析等领域都有广阔的应用前景。

随着研究的深入进行,科学家们正在探索将弗洛凯工程技术扩展到其他二维材料和更复杂的材料体系中。多层石墨烯、过渡金属二硫族化合物以及新兴的范德瓦尔斯异质结构都可能成为下一阶段研究的重点。这些材料体系的多样性将为实现更丰富的量子态调控提供平台。

这项突破性研究得到了德国研究基金会通过哥廷根大学合作研究中心"原子尺度能量转换控制"的资助支持,体现了国际科研合作在推动前沿科学发现中的重要作用。随着技术的不断成熟,弗洛凯工程有望从实验室走向实际应用,为人类社会带来新一轮的技术革命。