二维材料的光影

春节期间，蜗居于故里。就写作而言虽多有不便，但好处是较为闲散和宁静。物理人对事物的思考，很多片段都在让位于AI和数据库，个人感性大脑的生存空间正在从宇宙大统一理论的十维空间被压缩到这里的低维二维。因此，笔下行文越来越放不开、越来越畸变，就像这里要提及的 lattice distortion和 CDW。恭请读者多多谅解。

1. 引子

自从那个二维材料大牛Geim (据说刚刚加盟香港大学) 带人从石墨片上手撕出石墨烯 monolayer 后，二维材料 (维度d = 2) 之发展态势如日中天，让人目不暇接。物理人对二维材料的理解也呈现五花八门、精彩纷呈之态。不过，如此快速发展，带给外行读者的问题之一是：浸淫其中的物理人，在撰写文章时，常不屑于告诉读者为什么二维材料那么神奇。他们在文章中经常就这样开篇：“Low-dimensional materials exhibit flexible tunability in physical properties, owing to the reduced dimensionality and the interlayer / interchain van der Waals coupling”。如此之类的话，等于设定读者无学自通、早就掌握了其中奥秘。笔者愚钝，一直都没有想明白为何二维材料天生就有很好的“flexible tunability”!于是，就开始踏上“半分求证、十分臆断”之旅。

从晶体结构角度而言，二维材料就是面内呈现强键合(电荷/ 轨道直接键合，如离子键、共价键等)、面外呈现由高阶电偶极子涨落带来的van der Waals (vdW)弱键合。典型地，面外键合强度可能只有面内键合强度的 ~ 1/100。更粗暴一些，就是原子之间饱和成键都在面内完成，面外不再有任何残存的悬挂化学键。很显然，对特定的材料组成，两个原子之间的外层电子结构配置决定了键合数目。假定原子间饱和键合数目是恒定的，二维材料晶体结构和三维材料(d = 3) 就明显不同：三维晶体在三个维度方向上都必须有强原子键合，意味着面内键合数目就不可能饱和，也就是说面内原子键合数目相对较少。二维晶体必须在面内实现所有原子间的饱和强键合。由此，诸多三维材料的晶体结构在面内多呈现长方、斜方或正反晶格，虽然有少量体系呈现三角、六角晶格。反过来，二维材料面内键合数目趋于饱和，导致面内晶体结构多呈现六角、蜂窝、kagome等密集键合几何(这些几何在三维体系中不是没有，但很少见)。二维材料面内近邻配位数比三维晶体的面内(xy-plane)近邻配位数普遍多 1 ~ 3。

如此推演，讨论到晶格物理性质时，物理人马上就会明白：二维材料面内因为化学键强饱和，其力学刚度高、强度大，其结构上表现为长程对称性破缺较难、结构形变不易，虽然局域结构有序涨落是可以的。面外，因为键合弱，即呈现层间间距高的可塑性与形变能力。对应地，面内面外在电子输运与物理化学效应上也展现巨大差别，例如面外热学(声子)和电学(电子)输运能力及至可忽略不计。

图 1. 传统复合材料的基本模样。

(A) 两两或多重混合制成复合材料的几大类基元材料类别。左侧是聚合物、陶瓷和金属三大类材料模块，右侧展示复合材料基元的几何形态(呈片状、颗粒状、纤维状)。(B) 实际应用的层状复合材料结构特征图示。
(A) https://storage.googleapis.com/dwzeyotysxskfe/composite-materials.html。(B) https://www.fity.club/lists/suggestions/composite-materials/。

这是一种什么材料空间图像呢？简单说，这是一类极端的空间几何复合材料：“面内极强极刚”与“面外极弱极柔”之维度特性的正交复合，构成一类独特的“复合”材料。众所周知，传统的力学复合材料，如图 1 所示，主要通过柔性与刚性材料以不同的空间几何形态互联，以克服单相材料非强即弱、非刚即柔的力学性能瓶颈。对其它材料性能，亦可如法炮制类似的复合组合。因此，从凝聚态和量子材料基本的知识面看，一种材料的“性能组(properties’ group)”位于一个极端 A，另一种材料的“性能组”位于另一个极端 B，复合材料期待的是其“性能组”处于≥ [Ax + B(1-x)] 范围，其中 x 为复合材料的体积或者维度占比。选择一个 x，就能得到需要的性能≥ [Ax + B(1-x)]。这种复合材料概念，给材料科学以极大的自由度去设计和改进性能，以达至不同服役目标。

不过，如果复合材料的概念就只到此为止，那就没有多大探索意义了，因为这些认知已经写进教科书。随着材料制备技术的发展，这一复合精确到原子层次，使得物理人可以将复合材料具体材料形态直接拓展到几何形态：一个刚性维度与另一个柔性维度复合起来，复合材料的物理内涵就可以变得更为丰富、更变化多端。令人惊奇的是，这一理念用到二维材料类别上，似乎真的有了更多新的物理、效应和潜力迸发出来。

2. 二维材料维度复合

好吧，这个刚性维度和柔性维度如何进行复合呢？

在石墨烯诞生之前，物理人以为二维材料最典型的体系就是异质结界面了。当组成异质结的两个组元相之厚度很小、薄到少层原子层时，界面就成为不再可有可无的一个“物相”。图 2 所示乃南京大学缪峰教授团队绘制的一张莫尔异质结(moire heterostructures)示意图，用来表达那句“界面即是器件”看起来甚为合适。

不过，本文并不打算讨论莫尔异质结细节，因为相关研究已然很多，物理图像也相对比较清楚。取缪峰他们的这幅图片来，只为了说明现在的异质结已薄到什么程度，只为了说明如此之薄会有什么重要后果：两片不同材料的 monolayers，或同一材料的两片 monolayers，如果叠在一起构成一个异质结，则异质结界面会独占异质结一半体积，所以说同一材料的两片 monolayers 叠加也是“异质结”。注意到，每片 monolayer 的面内都是硬邦邦刚性的、姑且被视作完全刚性，则面内结构和物理化学性质可被当成常数、很难改变。很难并非不可能，许多局域的、不破坏长程结构对称性的畸变还是可以的，并得到实验证实。另外，进行面外大曲率半径的弯曲，当然也是可以的，但这个半径与面内原子间距比较自然算是天上地下。能够被改变的，只是异质结的界面而已。因此，这一二维异质结主要由界面说了算。只要对界面几何、空间、堆砌等稍加加工，此异质结马上就变成彼异质结。这，大概算得上是二维材料复合的模式特点。当然，正因为这些 monolayers 的堆砌结构在面外表现为耦合极弱极柔，因此本文尽可以将两层 monolayers 堆砌成异质结作为最基本单元进行讨论。这些单元沿面外方向延展，并不改变以上讨论的本质和结论。

二维异质结最突出的后果，就是魔角效应 (magic-angle effects) 或滑移效应 (sliding effects)，引得物理人整天琢磨着如何拿着两片或多片 monolayers 搭积木和拼凑(bilayers & multilayers)。围绕这两个方向，物理人已转出了万千花样、滑出了大千世界，虽然它们能否被广泛利用还是未知数！

图 2. 二维材料的乐高(lego)园：堆砌、操控(包括旋转、滑移、植入、形变等等)、物理效应和器件。

可以看到，通过对原子数或原子级自由度数目 N 的操控(转动、滑移、形变、嫁接、剪裁等等)，物理人可得到宽广的结构、丰富的演生效应、无中生有的新功能。

From 南京大学缪峰教授团队，M. Chen et al, J. Semicond. 44, 010301 (2023), http://dx.doi.org/10.1088/1674-4926/44/1/010301。

那么，这些 monolayers 之间构成的异质结，或转动魔方、或滑移过雪，能产生那么多精彩纷呈的物理根源或核心是什么？很简单，物理核心就是如上提及的、异质结界面占据异质结体积的一半这一事实。这一界面部分带来的新物理、新演生和新效应，在物理层面上令人叹为观止，也就成为赋能二维材料的主要源泉，虽然面向室温实际应用时可能还有诸多瓶颈。

随意梳理一下，便有如下几条：

(1) 异质结之间旋转操作，例如转魔方(magic rotation)，导致处于魔角的异质结展现演生新效应。此时，异质结公度周期非常大，界面处电子输运波长远大于 monolayer 面内晶格周期、界面层的电子传输动能和动量项被明显压制，异质结的能带因此显著变平。所谓魔角导致平带，根源就在这里。平带是电子关联、超导、各种电子关联相如电荷密度波 CDW、自旋密度波 SDW、向列条纹结构等新量子态的起点，备受物理人钟爱和追捧，在此不论。这一效应，大概也只能是在二维异质结中方能显出身手。如果异质结的两个组元足够厚，那就不是二维材料异质结了。毕竟，此时的界面那点东西占据的体积百分数，变得很低，电子输运集中在两个组元层中，界面怎么样蹦跶都无关紧要。

(2) 异质结之间平移操作，例如层间沿特定面内方向相对滑移(sliding)，导致异质结滑移出新物理。此时，层间或者说面外堆砌的构型几何会发生变化，如从 ABAB 堆砌变成 BCBC 堆砌，如此之类。特别是当层内原子组成超过一种(species)时，这种堆砌的变化将带来异质结在面外电磁结构对称性、电子结构形态、相变行为等方面展现差异。有时候，这种差异的后果令人叹为观止，滑移铁电就是其中一类：因为引入滑移模式，原本只能算作面外单向驻极体 (electret) 的二维异质结，一下子就变成了可能广泛应用的二维铁电 (ferroelectric) 异质结。

(3) 除了层间的旋转和平移操作，还有什么操作呢？还有的！例如，调控层间间距、在层间进行化学搭桥手术(所谓层间嫁接 implantation)，都是可选之项，从而迈向二维和三维之间的分数维度 d = [2, 3] 材料。如此之类，都是物理人在过去这些年卖力干活的方向。

如上这些操作，都可归结于层间发生了不同的堆砌模式(stacking-modes, S-models)。而这些操作带来的新物理又如此出人意表，构成当下整个二维材料物理的重点之一。有鉴于此，深入地理解其中子丑寅卯是必要和迫切的！

笔者以为，它们能否发生，决定于如下两个科学问题能否顺利解决：

► 如何操控和实现这些 S-modes？

► 这些 S-modes 为何能导致新的物理？

反复揣摩和思考这两个问题，似乎得到强烈的印象：第一个问题不难回答或者说无法回答。可以几句话说清楚，也一时无法说清楚。毕竟，如何操控，在于技术和方法的进展上，还需时日。前文已提及二维材料的面内(intralayer) 强刚、面外(interlayer) 柔弱，因此对层间的 S-modes 进行操控，需要克服的能垒不可能很高。目前已知的 vdW 体系其层间耦合能标大约是 ~ 100 meV/Ų范围，也就是层间单个 vdW 键合(if any)强度为 ~ 100 meV量级内，比面内键合强度 ~ 10 eV低两个量级。电/磁/光/热/力等操控，在物理原理上很容易达到 vdW 键能阈值，但对面内键合则完全无能为力。高精度的操控，难度在于技术实现。举个例子，二维材料如何被“seeing”就是一个问题。看都看不见，何谈操控？二维的确给操控带来了障碍。只要测量表征技术有了更好进步，实现不同的 S-modes 的操控大多是手到擒来之事。

对第二个问题，如何描述清楚就有些难度了，需要另起一节展开。

图 3. 少原子体系统计物理和相空间特征。

(上部) 能量、对称态、物理效应和功能等特性，随原子数或互作用自由度 N 减小，会出现涨落。N 越小(越趋近于低维体系如维度 d = 1, 2, 3)，涨落越大，结构弛豫时间越长，展现新颖的演生性能之概率就越大。反过来，对 N 巨大的宏观体系(维度 d = 3)，其能量、结构和性能涨落都随 N 增大趋于零。

(下部) 来自“南京原子制造研究所”的少原子体系(原子团簇)所展示之物理相空间(山河图谱)。首先，不同山谷对应的少原子结构只是在原子数目、组成、结构和几何形态上有细微差别，但物理相空间的形态和功能就可能很不同。其次，从一处山谷走向另一处山谷所需要的内禀或外场激励不大，给物理人机会：既易于驱动体系在不同山谷之间翻山越岭般操控，又保证处于每个山谷处的状态足够稳定而承载服役功能、即具有足够的稳定性。

上图乃笔者绘制，下图来自南京原子制造研究所。

3. 涨落是少原子体系的王道

要解释清楚层间堆砌变化为何会导致崭新的物理效应这一问题(S-modes 为何能导致新的物理)，从不同视角出发，就有不同描述方式。以两层 monolayers 堆砌成的 bilayer 莫尔超晶格为例进行说明，具有一般性，因为多层甚至块体 vdW 体系的物理机制是类似的，虽然技术实现上多层体系可能与双层少层体系存在差别。

视角一，层间转角，会使莫尔超晶格出现平带物理。笔者过往着笔，都是粗暴地、从能带论或更简单地从周期晶体结构的薛定谔方程出发，来素描之：对二维 vdW 金属(如石墨烯)，假定其面内晶格周期势 V 的强度保持不变，其面内输运动能项 P 必定占据主导，因此能带色散显著，甚至呈现石墨烯所展示的那般陡峭 Dirac 色散。当 monolayers 叠成莫尔超晶格后，面内超晶格的周期越大(即越接近魔角)，电子波函数动能 P 就越小，能带色散就显著弱化、即平带化。魔角处的莫尔条纹，堪称面内方向的超大周期超晶格，其电子动能 P 变得比 V 更小。如此，体系必然从面内金属态变成绝缘体态，体系关联显著增强，强关联物理效应纷纷粉墨登场。这是所谓魔角新物理。

视角二，monolayer 毕竟不是宏观凝聚态，就物理输运特征波长覆盖的区域而言，只能算是由有限数目原子组成的少原子体系。经典统计物理是针对大数(宏观)体系建立的，宏观体系的时空涨落很小，物理状态稳定、几近唯一。但如果扩展到少原子体系，其基本特征是体系各种涨落显著增大、甚至发散，正如笔者在《原子制造之“局域”遍历性》提及的。这是什么意思呢？不妨将此文中的插图拿来修订一下，放在这里作为图 3(A)，以表达少原子体系的统计物理：

(1) 对原子数巨大的宏观三维材料，原子数或互作用自由度数目N巨大。其热力学遍历性保证了体系能量、对称态、物理效应和性能趋于稳定，随N变化出现的涨落很小。体系在宏观上一般只有一个(或者少数几个简并的)基态。

(2) 对低维体系，如这里的二维体系，N 很有限，属于少原子体系。其热力学缺乏遍历性，导致能量、对称态、物理效应和性能出现显著涨落。N 发生微小变化，对应的能量、对称态、物理效应和性能都可能显著不同，缺乏稳定的基态，正如图 3(B) 所展示的少原子体系相空间山河图谱所示。而正是这种显著涨落与不同，才会有新颖的演生新效应出现。具体到二维双层 bilayer 体系，层间距离、转角、滑移量等细微变化，都可能导致体系出现新的、难以预期的效应与性能。

(3) 改变 N 的方法，当然可以是内禀的自由度调控，亦可以是外场激励。基于二维体系层间耦合羸弱的特征，这种调控和激励场无须那么强大，能标为 0.1 eV 甚至更小的激励都可能导致 N 的变化，从而诱发演生效应与功能。这，正是图 3 所示剧烈涨落的物理涵义。

读者现在应该明白了，这般随 N 变化出现的巨大涨落，那般驱动 N 较为容易的事实，吸引物理人趋之若鹜去追逐万千变化。由此，笔者有理由说，对二维或少原子体系，涨落才是王道，就像对冲市场的股市、风险投资的基金、随机过程的博弈那般，胜败结果的确不那么确定、难以预期。但是，刺激与对冲之激荡，才是玩家参与追逐的张力。

好吧，笔者这一番渲染已经有点飘飘然，该停手而不能再继续文字激昂。接下来，看一个最近的研究案例。

4. 光脉冲下的光影世界

4.1. 遥瞰

北京理工大学物理学院姚裕贵教授麾下的计算物理团队，有一位年轻帅哥施训教授(https://physics.bit.edu.cn/szdw/jcrc/sqrc/index.htm)。施训课题组与来自中科院物理所的钱天教授、孟胜教授等课题组，外加来自韩国庆熙大学(Kyung Hee University) 知名计算凝聚态学者李成勋(Sung-Hoon Lee)一起合作，致力于对二维少层 vdW 体系 TaS₂ 的量子材料物理、相图及其新颖效应展开探索。

他们关注的一类课题，就是外场激发引入的演生物理，包括利用超短、超快脉冲激光激励量子物态演化。他们似乎拥有一套配置了超快脉冲激光的角分辨光电子能谱(ARPES)，也拥有与实验密切联系的高水平计算物理力量。对量子材料而言，ARPES 已算是大杀器，再与超快物理配合，似乎更有威力。毕竟，一般而言 ARPES 搜集能谱需要足够长时间才能得到高品质数据，实现超快条件下的高品质数据收集是有挑战的。他们似乎将这两者，即将超快物理与 ARPES 谱学，结合得很好。当然，这种结合对探测二维材料的新物理，自然位居前沿。

图 4. 1T-TaS₂ 的晶体结构、相变、CDW 和层间耦合效应。

注意到，图(A) ~ 图(D)的说明见插图图题，此处呈现的只是图(E)的说明：基态是层间二聚化的C-CDW相(AL相)，其ARPES展示的能带结构展示了清晰的体能隙和CDW带来的能级分裂。脉冲激光激发，部分AL相经过“融化”为高对称相，再转变为AL相和L相畴交替堆砌的混合态(AL+L)，即所谓的隐含金属态(metallic hidden state)。至于此种混合态为何是金属相，其微观机理似乎并不明确，虽然ARPES展示的能带结构中体能隙和CDW带来的能级分裂都被一定程度上弥合，似乎是金属态的模样。混合相被低剂量多次激发后可以返回到初始的C-CDW态，虽然返回路径和机制尚不清楚。

所有结果取自施训教授他们的论文。

一如既往，笔者于春节期间蜗居于老家陋室之中，将他们最近发表在《npj QM》上的一篇论文(具体信息见于文尾)下载下来，临时抱佛脚囫囵吞枣，记下了一些皮毛读书笔记。这种学习当然无法全面，只能窥得只鳞片爪，放在这里：

(1) 正如本文开篇所言，施训教授行文也是如此开头的：低维材料因为功能可塑性很强，晶格组态的细微变化便可触发电子结构和功能的巨大涨落。因此，阅读量子材料论文需要一些功底才能靠近门槛。施老师说，驱动晶格组态变化的方式有很多，光激励于其中独享尊贵：功用丰富、强弱可期、非接触之便利和超快超短的独到特征。笔者领悟到，二维材料物态探索和操控研究历经多年积累之后，探索之角伸向超快超短物理本身令人向往、也是值得期待的。

(2) 这种探索的核心目标之一，即揭示图 3 所示的那些剧烈涨落的山河图谱是个什么模样？坦率地说，物质科学自古以来虽然积累厚实，但真正被理解的物种物态并非丰富。三维或宏观体系因为基态和低能激发态的物理限制，能够呈现的效应原本不多。现在来到二维体系，来到这一蕴含巨大涨落和演生机会的新世界，不将图3所示的万水千山浏览个遍，物理人应该是不甘心的。

(3) 具体到超快超短物理，有什么值得探索的机遇呢？按照宏观体系的统计物理和热力学认知，内禀或外部激发无非是驱使体系从基态走向非(远)平衡态。激发停止后，体系自然会在一定时间(所谓特征时间)内从非平衡态弛豫回到基态。不过，对这里的二维体系(少原子体系)，山川形态富饶、体系落脚之处很多，内禀或外部激发大概率会驱使体系从一个基态走向另一个类基态或接近基态的亚稳态。或者说，被激励所到之态，很可能就是一个具有别样功能的、足够稳定的隐含物态(二维材料之“影/隐”)，正如图3所示的那诸多山谷一般：好吧，波澜壮阔的画卷终于出来了，蕴含有多少宏观三维体系所没有的新功能、新器件和新应用呢？追逐之，便是物理人的天性。难怪施训帅哥他们痴迷于此、乐此不疲。

(4) 事实上，物理人已揭示过，TaS₂ 这一 vdW 绝缘体及其同类一族，即属于对光学激励响应很灵敏的体系。过去十多年，有很多输运和谱学工作报道了 1T-TaS₂ 中存在光学激励产生的隐藏量子态(photo-induced quantum hidden state)，展现金属特性。也就是说，这一光场激励，驱动绝缘体基态(insulating ground state)发生相变，到达隐藏金属态(hidden state)，属于 MIT 转变，伴随电阻几个数量级的下降。如此激励的诡异之处、或者说光影/光隐之处在于，这一金属hidden state 具有足够好的稳定性和长寿命。如此 MIT 相变特性，自然会刺激物理人的神经：这一超快超短 MIT，显然可付诸实际应用，值得深入探讨其微观机制。只是，到目前为止，这一 MIT 的微观机理似乎并未得到昭示，还在等待物理人进行梳理以正本清源，妨碍了走向应用的步伐。

(5) 梳理以正本清源之前提，是要理解基态结构特征。平衡条件下，1T-TaS₂ 就展示出复杂相图，特别是存在 Mott 型电荷密度波相(charge density wave states, CDW)的基态。按照本文开头的粗略描述，二维材料面内结构饱和键合，发生长程畸变或相变的可能性不大。尽管如此，固体晶格和电子自由度的局域结构涨落，依然是可以的，例如面内的 CDW。具体到 1T-TaS₂ 而言，如图 4(A) 所示的 vdW 晶体结构的每一层，在温度 T ~ 180 K 处会经历相变，表现为每一层面内局域畸变，形成所谓“大卫之星 SOD = star-of-David”结构特征。一系列这些 Stars 周期分布，形成面内(in-plane)公度 CDW (commensurate CDW, C-CDW)相，如图 4(B) 所示。在面外，则表现为层间堆砌的所谓二聚化 (layer-dimerization)：近邻两层为一组，发生二聚集；一组与一组之间发生位移/错位，交替往复。图 4(C) 很好地示意出这一结构特征，标记为所谓的 AL-stacking相 (AL相)。

(6) 现在考虑光激发下 MIT 转变的后果。MIT 的产物，是隐藏的金属态(metallic hidden state)。较早的研究工作对这一金属态的微观根源存在争议。施训教授他们在这一工作中 argue 的物理是：被激发的隐含金属相，其结构实际上呈现出一种混合特征，即每一层的面内 C-CDW 结构 (SOD 特征) 得以保留，但层间位移/错位的形态出现变化。具体而言是：部分二聚化 AL 相得以保留，部分转变为如图 4(D) 所示的层间交替错位的所谓 L-stacking相 (L相)。整个样品，即由 AL 相畴与 L 相畴混合构成，如图 4(E) 所示。

图 5. 对 1T-TaS₂ 这一二维 vdW 体系进行操控开关的探索。

(A) T = 180 K 以下 C-CDW 基态相(AL相)的晶体结构，其中“大卫之星”阵列被连线标注出来。(B) 经历一飞秒激光脉冲激发后，体系演化成所谓“金属隐含相”(AL+L混合相)，其中存在的AL-L畴界 (domain walls) 可能是贡献金属导电的根源(不确定)。(C) 飞秒激光脉冲激发示意图：既可激发 Mott 绝缘体基态转变成金属隐含相 Insulator-to-metal transition IMT，也可激发擦除金属隐含相而回到 Mott 绝缘相 metal-to-insulator transition MIT。(D) 基态 AL 相 ARPES 谱，显示电子结构中存在体能隙 Δ₁、CDW 能带劈裂能隙 Δ_CDW1和 Δ_CDW2。靠近费米面处能谱细节示于(D2)。(E) 飞秒激光单脉冲激发后，体系进入隐含相，对应的 ARPES 谱及其细节示于(E1)和(E2)：可看到，能隙 Δ₁、Δ_CDW1 和 Δ_CDW2 几近消失。(F) 为更清晰展示金属隐含相被低剂量激光脉冲擦除过程，擦除进程对应的隐含态、中间态、CDW 基态的ARPES 谱显示于(F1) ~ (F3)：的确，从无能隙特征，到中间很小能隙特征，再到初始基态的清晰能隙特征，都显示于谱中。(G) 理论构建出不同量子态(A, B, C, M, L, AB, AC, AM, AL)之系统总能量比对直柱图，可见能量最低态是 L 和 AL 相，AL 相虽然能量更低、是基态，但 L 相能量与之相若。这一结果表明体系激发态是 L 或者 AL+L 混合态的合理性，虽然施训老师他们认为隐含相处于 (AL+L) 畴混合态。

所有结果取自施训教授他们的论文。

4.2. 未垦之垦

很显然，到了这一步，正如标题提点的，二维材料的“光影/隐世界”大概面貌已经在那里了。接下来，无非是挑选那些富饶而未垦之地，精耕细作，获取高品质回报。

等待量子材料领域物理人开垦之所，一处应是二聚化绝缘 AL 相和 (AL+L) 混合之隐藏金属相各自的电子结构特征；一处应是在绝缘 AL 相和 (AL+L) 混合金属相之间实现快速开关转换。

施训、姚裕贵、钱天教授他们，在这一工作中利用单一的、飞秒(~ 80 fs)的 Yb 掺杂脉冲激光束(光子能量 1.2 eV，大于 vdW 层间耦合强度)，实施激发，同时用ARPES进行实时探测。注意到，脉冲激光束斑大小为 ~ 0.1 mm，足够覆盖大量畴区域，使得数据具有足够好统计性。具体到开垦收获的细节，读者可前往御览他们的论文。他们收成的大致模样，可归纳为如下三条：

(A) 基态电子结构能谱：

实验观测显示，从块体单晶撕下来的 1T-TaS₂ 样品之基态，的确是面内C-CDW的 AL 绝缘相，如图 5(A) 和图 5(D1)/(D2) 所示。多个能隙清晰可见：1T-TaS₂的本征能隙 ∆₁，CDW 转变带来的能隙 ∆_CDW1、∆_CDW2，如此等等。这些结果证实了基态 Mott 绝缘体特征和 CDW 相变带来的能带劈裂特征。

(B) 激发隐含态电子结构能谱：

对样品施加一个单脉冲后，实验观测显示样品从基态 AL 绝缘相转变为金属相，如图 5(B) 和图 5(E1)/(E2) 所示。基态中几个能隙都发生了不同程度的闭合，能谱展示出清晰的金属态特征。这些结果证实了1.2 eV 的飞秒脉冲激光足够激发出金属隐含相。但是，确定这一金属相是否一定就是(AL+L)畴混合相，笔者以为证据尚不那么充足，虽然计算得到的各种 stacking 模式中，只有 L 相与 AL 相能量最低和最接近，如图 5(G) 所示：看起来，(AL+L) 畴混合相就是这一隐含金属相的推理，得到了理论计算的支持，结论大致能站住脚。特别值得指出，这一隐含相足够稳定，显示了脉冲激励的非易失性功能 (nonvolatile state)，是实现逻辑开关功能的基础。

(C) 多脉冲操控与开关：

作为功能应用的指针，寻找某种开关机制，重新将混合金属隐含相拉回到基态，是极为重要的。经多方尝试，施训老师他们找到了一种所谓多脉冲擦除 (erase) 方法，即用低剂量 (low fluence) 的脉冲激发实现擦除，如图 5(F) 所示。不过，他们认为写入和擦除遵从不同的微观物理：从基态写入 (write) 到隐含态，似乎是相干 coherent 的，速度快、效率高、确定性好，一个脉冲即搞定。反过来，逆向过程似乎就困难很多，速度也慢不少，显示出这一金属隐含相稳定性并不比基态差，并大概率牵涉到非相干 non-coherent 演化进程。当然，能写入和擦除就是成果，机制不同无非是技术工艺的问题。

再重申一遍：笔者的梳理属于典型的临时抱佛脚。要详细理解他们工作的细节，需要御览和仔细审读原文。

5. 未结之结语

行文至此，笔者借用施训、姚老师和钱天老师他们的工作，唠叨了一番二维材料如何从“维度复合”去寻找新效应新物理的理念。施老师他们的工作，自然是漂亮的、有引领意义的，为脉冲激光操控二维材料量子态、量子隐含态和MIT开关应用打开了一扇门窗。但是，笔者也不认为他们的工作就十全十美。笔者和姚老师、钱老师是朋友，未来和施老师也会是朋友。不妨在此胡言乱语几句，他们应该不会怪罪：

(1) 严格而言，目前的证据笃定隐含相就是(AL+L)畴混合态，总感觉差那么一丢丢。当然，量子材料研究，通过高度可靠的理论计算来佐证实验，是可行的、可信的。笔者只是从写入和擦除之间(write/erase)的巨大差别来推测是否存在其它路径。

(2) 金属导电背后的物理根源是AL-L畴壁吗？还是说纯粹的L态即是金属态？理论计算当然可以回答这一疑问，但实验证实依然是最后的答案。

(3) 写入和擦除相变的速度是多少？快慢决定于哪一微观机制？如果讨论超快超短，这一时间特征依然是关键的。

(4) 笔者翻阅论文，好像没有看到测量样品的制备细节。笔者的问题是：少数层，如 2 层、7 层、10 层的样品会如何？奇数层与偶数层会如何？笔者相信，这样的研究未必就是没有意义的。类似地，层间嫁接也是一个足够好的方向。

最后指出，本文描述可能多有夸张、不周之处，敬请读者谅解。对详细内容感兴趣的读者，可点击文尾的“阅读原文”而御览他们的论文原文。

Nonvolatile optical control of interlayer stacking order in 1T-TaS₂

Junde Liu, Pei Liu, Liu Yang, Sung-Hoon Lee, Mojun Pan, Famin Chen, Jierui Huang, Bei Jiang, Mingzhe Hu, Yuchong Zhang, Zhaoyang Xie, Gang Wang, Mengxue Guan, Wei Jiang, Huaixin Yang, Jianqi Li, Chenxia Yun, Zhiwei Wang, Sheng Meng(孟胜), Yugui Yao(姚裕贵), Tian Qian(钱天) & Xun Shi (施训)

npj Quantum Materials 11, Article number: 6 (2026)

https://www.nature.com/articles/s41535-025-00836-6

定风波 · 又凭大海

夕照汪洋浪起风

断霞横竖染呼汹

卷涌自鸣招大雁

如幻。白沙红岸锦云中

弱水刻崖周复始

无止。已然雕出巧天工

孤客莫须唏曲旅

行处。追随沧海漫瑶空

备注：

(1) 笔者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》执行编辑。

(2) 小文标题“二维材料的光影”乃宣传式的言辞，不是物理上严谨的说法。这里的“影”亦是“隐”，前者指光脉冲激发下的“影像”与效应，后者指光脉冲激发下的“隐藏相 hidden phase”。影子也可以是隐藏的状态，因此这一标题很好地感性加理性表达了本文的主题。

(3) 为撰写本文，作为外行的笔者参阅过诸多网络神文名篇，包括《知乎》《百度》和《Bing》上的资料。在此谨致谢意！本文夹塞了许多笔者粗知陋见，请读者不以为意！

(4) 文底图片乃 (20260105) 拍摄于沧海涯岸，是物理世界的一帧。文底小词 (20260113) 原本感慨太平洋海岸的壮丽。这里描写那些在物理学铁幕时代依然奋力开拓量子材料的物理人，如这里的施训、钱天、姚裕贵老师等！

(5) 封面图片取自施训老师他们论文的图 1，示意了飞秒脉冲激光激发隐含量子态的路线图。