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超强激光科学卓越创新简报

(第五百八十期)

2024年12月20日

上海光机所在观测强光场驱动拓扑表面态的带间Berry相位方面取得进展

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队，在探测强激光场驱动拓扑表面态的带间Berry相位方面取得进展，相关成果以“Probing Berry phase effect in topological surface states”为题，发表于Physical Review Letters。

量子几何相位是指量子态随外部参数变化而演化时，除了由于能量差异导致的动力学相位外，系统还会积累一个与参数空间路径的几何性质相关的相位。其中Berry相位作为量子几何相位的一个特例，在物理学的不同领域中都扮演了重要的角色。尤其是在凝聚态物理中，Berry相位源于布洛赫电子的全局几何性质，决定了物态的非平凡拓扑性和拓扑相变，是量子霍尔效应与拓扑绝缘体等现象的物理本源。在现有的框架下，Berry相位的产生要求量子系统沿着闭环路径缓慢绝热演化，而在强光场驱动的高度非平衡态和发生非绝热演化的体系中，Berry相位效应是否存在可观测效应仍不明确，其中根本困难在于量子态的演化不再闭环，这也意味着Berry相位存在新的表现形式。

研究团队发现非绝热形似的Berry相位存在于固体高次谐波产生的带间极化机制中，亦被称为“带间Berry相位”。研究人员利用中红外双色场高次谐波光谱学手段，对Berry相位引发的效应进行了观测。强的基频光激发高次谐波过程，实现了Berry相位的积累，而弱的倍频场的加入可以打破时间反演对称性，将Berry相位信息映射到偶次谐波光谱的调制上。研究表明，双色场时间延迟依赖的偶次谐波强度调制与拓扑表面态的带间极化动力学过程密切相关。得益于拓扑绝缘体的强自旋-轨道耦合作用，研究团队揭示了强光场驱动下的拓扑表面态带间Berry相位效应，以及其在微观超快电子动力学中的关键作用。

研究团队近年来在强场光波驱动的超快动力学和固体高次谐波产生等领域长期探索，在拓扑表面态贡献的高次谐波产生[Nat. Phys. 17, 311, (2021)]和二维材料的超快光波电子学[Phys. Rev. B 105, 014309 (2022), Phys. Rev. Research 5, 013098 (2023)]等方面开展了系列工作。该研究从全新的视角出发，聚焦于电子态的几何结构和跃迁耦合的贡献，发现非绝热的带间Berry相位能显著影响电子-空穴对的演化动力学。这不仅拓展了光波操纵狄拉克费米子的超快运动的自由度，还为强光场驱动下的新量子物态研究提供了新的路径，而且对发展光波驱动的拓扑物态调控和超快电子学具有重要意义。

相关工作得到国家自然科学基金项目、中国科学院青年促进会和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。

原文链接

图1. 拓扑表面态中Berry相位效应的实验观测和理论上对微观作用机制的展现。

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