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图片描述：上图展示了石墨烯的结构，单层碳原子排列成蜂巢图案。一项新模拟表明偏振激光的螺旋脉冲可能会改变石墨烯的性质，把它从金属变成绝缘体。斯坦福直线加速器中心(Stanford Linear Accelerator，SLAC)和斯坦福大学(Stanford University)的学者领导了这项研究，使用这种特殊光线创造并控制物质的新状态实验从此成为可能。

一项新研究预测，研究人员可以使用激光螺旋脉冲改变石墨烯的性质，把它从金属变成绝缘体，这可能赋予石墨烯用于编码的特殊性质。

研究成果发表于2015年5月11日出版的Nature Communications，使用这种特殊光线创造并控制物质的新状态实验从此成为可能，其潜在应用有计算机和其他领域。这个过程就是点石成金，撤掉激光后金子又变回石头，Thomas Devereaux解释道。Devereaux教授就任于美国能源部(Department of Energy)的SLAC国家加速器实验室(National Accelerator Laboratory)，同时还兼任斯坦福大学材料和能源科学研究所(Stanford Institute for Materials and Energy Sciences，SIMES)主管，这是一所SLAC和斯坦福大学的联合机构。

他说：我们的模拟表明可以从理论上改变石墨烯的电子特性，在电子自由移动的金属状态和绝缘状态之间来回改变它的状态。从数字角度来说，这就像在0和1之间来回转变，也就是打开和关掉，肯定和否定。这种特性可以用于计算机内存的信息编码。有趣的是你可以用光而不是电子做电子开关。

Devereaux和Michael Sentef共同领导本项研究。最初Sentef作为博士后研究员工作于SLAC，目前任职德国的马克斯普朗克结构和动力研究所(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)。

神奇材料的诞生

石墨烯是一种纯碳结构，只有单原子厚度，原子以蜂巢状排列。它在12年前被科学家发现，一直被当成万能材料。它有弹性，几乎透明，是导热和导电的绝佳材料，还是已知强度最高的材料之一。但是科学家们试遍了各种方法也没能把它变成半导体，而半导体正是微电子所需的核心材料。

另一项早期研究表明圆偏振光的照射也许可以实现上述目标。圆偏振光传播时以顺时针或逆时针方向旋转，这个特性被称为右撇子或左撇子。它可以产生带隙，带隙中没有电子，这是半导体的特性之一。

在SIMES研究中，理论学家利用了能源部位于劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的国家能源研究科学计算中心(National Energy Research Scientific Computing Center)进行了大规模的模拟演算。他们模拟了用圆偏振光照射石墨烯的实验，照射时长为十亿分之一秒的几百万分之一。

力求真实的模拟

以前的研究建立在分析演算和理想环境的基础上，研究生Martin Claassen说道。他是Devereaux团队的一员，为研究做出了重要贡献。我们的研究最大程度地模拟了真实实验的条件，连激光脉冲的形状都考虑在内。这项模拟能区分出可行的实验，并且找出那些实验中最有价值的变化发生的区域。

SLAC科学家以及本研究论文的另一位作者Brian Moritz说，模拟表明激光的螺旋会与石墨烯的螺旋相互反应，该反应并不均匀，带来了有趣而且意料之外的特性。它不仅产生了带隙，还导致了量子态。石墨烯在这种状态下有1或0的陈数，这是贝瑞曲率(Berry curvature)产生的结果，提供了另一种可供科学家研究的开关态。

石墨烯以外的应用

虽然本研究不能立即应用在电子设备中，但它给研究人员提供了这方面的重要理论依据。研究结果还与二硫属化物(dichalcogenides)相关，该材料也是一种二维原子片，它的原子同样按蜂窝状排列。

二硫属化物是SIMES和全球科研机构的重点研究对象，它是制造谷自由设备(valleytronic devices)的潜在材料。谷自由度(valleytronics)中，电子像有两个谷值的能量波一样从二维半导体中穿过，这两个谷值的特点可被用于信息编码。它的潜在应用有光探测器、低能耗计算机的逻辑和数据、量子计算机。除了石墨烯方面的研究，团队还对光和二硫属化物的反应方面的实验进行了模拟。

Moritz说：我们的最终目标是搞清楚为什么材料与光的反应会改变材料的性质和属性，并且创造出技术上的新型有趣材料。

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