【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學院上海光學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致的動力學相位外，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[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。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)控和超快電子學具有重要意義。
 

　　相關(guān)工作得到國家自然科學基金項目、中國科學院青年促進會和中國科學院穩(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)。