【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊，在探測強激光場驅(qū)動拓撲表面態(tài)的帶間Berry相位方面取得進展，相關(guān)成果以“Probing Berry phase effect in topological surface states”為題，發(fā)表于Physical Review Letters。
 

　　量子幾何相位是指量子態(tài)隨外部參數(shù)變化而演化時，除了由于能量差異導(dǎo)致的動力學(xué)相位外，系統(tǒng)還會積累一個與參數(shù)空間路徑的幾何性質(zhì)相關(guān)的相位。其中Berry相位作為量子幾何相位的一個特例，在物理學(xué)的不同領(lǐng)域中都扮演了重要的角色。尤其是在凝聚態(tài)物理中，Berry相位源于布洛赫電子的全局幾何性質(zhì)，決定了物態(tài)的非平凡拓撲性和拓撲相變，是量子霍爾效應(yīng)與拓撲絕緣體等現(xiàn)象的物理本源。在現(xiàn)有的框架下，Berry相位的產(chǎn)生要求量子系統(tǒng)沿著閉環(huán)路徑緩慢絕熱演化，而在強光場驅(qū)動的高度非平衡態(tài)和發(fā)生非絕熱演化的體系中，Berry相位效應(yīng)是否存在可觀測效應(yīng)仍不明確，其中根本困難在于量子態(tài)的演化不再閉環(huán)，這也意味著Berry相位存在新的表現(xiàn)形式。
 

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)非絕熱形似的Berry相位存在于固體高次諧波產(chǎn)生的帶間極化機制中，亦被稱為“帶間Berry相位”。研究人員利用中紅外雙色場高次諧波光譜學(xué)手段，對Berry相位引發(fā)的效應(yīng)進行了觀測。強的基頻光激發(fā)高次諧波過程，實現(xiàn)了Berry相位的積累，而弱的倍頻場的加入可以打破時間反演對稱性，將Berry相位信息映射到偶次諧波光譜的調(diào)制上。研究表明，雙色場時間延遲依賴的偶次諧波強度調(diào)制與拓撲表面態(tài)的帶間極化動力學(xué)過程密切相關(guān)。得益于拓撲絕緣體的強自旋-軌道耦合作用，研究團隊揭示了強光場驅(qū)動下的拓撲表面態(tài)帶間Berry相位效應(yīng)，以及其在微觀超快電子動力學(xué)中的關(guān)鍵作用。
 

　　研究團隊近年來在強場光波驅(qū)動的超快動力學(xué)和固體高次諧波產(chǎn)生等領(lǐng)域長期探索，在拓撲表面態(tài)貢獻的高次諧波產(chǎn)生[Nat. Phys. 17, 311, (2021)]和二維材料的超快光波電子學(xué)[Phys. Rev. B 105, 014309 (2022), Phys. Rev. Research 5, 013098 (2023)]等方面開展了系列工作。該研究從全新的視角出發(fā)，聚焦于電子態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)和躍遷耦合的貢獻，發(fā)現(xiàn)非絕熱的帶間Berry相位能顯著影響電子-空穴對的演化動力學(xué)。這不僅拓展了光波操縱狄拉克費米子的超快運動的自由度，還為強光場驅(qū)動下的新量子物態(tài)研究提供了新的路徑，而且對發(fā)展光波驅(qū)動的拓撲物態(tài)調(diào)控和超快電子學(xué)具有重要意義。
 

　　相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院青年促進會和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等的支持。
 

圖1. 拓撲表面態(tài)中Berry相位效應(yīng)的實驗觀測和理論上對微觀作用機制的展現(xiàn)。