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，在探測強激光場驅動拓撲表面態的帶間Berry相位方面取得進展，相關成果以“Probing Berry phase effect in topological surface states”為題，發表于Physical Review Letters。
 

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

　　研究團隊發現非絕熱形似的Berry相位存在于固體高次諧波產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相位引發的效應進行了觀測。強的基頻光激發高次諧波過程，實現了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制上。研究表明，雙色場時間延遲依賴的偶次諧波強度調制與拓撲表面態的帶間極化動力學過程密切相關。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動下的拓撲表面態帶間Berry相位效應，以及其在微觀超快電子動力學中的關鍵作用。
 

　　研究團隊近年來在強場光波驅動的超快動力學和固體高次諧波產生等領域長期探索，在拓撲表面態貢獻的高次諧波產生[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，聚焦于電子態的幾何結構和躍遷耦合的貢獻，發現非絕熱的帶間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，還為強光場驅動下的新量子物態研究提供了新的路徑，而且對發展光波驅動的拓撲物態調控和超快電子學具有重要意義。
 

　　相關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定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。
 

圖1. 拓撲表面態中Berry相位效應的實驗觀測和理論上對微觀作用機制的展現。