精密测量院在固体高次谐波中的有效质量奇点效应研究方面取得重要进展

粒子的质量反映了其在外力作用下的响应能力，在非相对论框架下其质量保持恒定不变。而在晶体中，电子以周期性的布洛赫波的本征形式存在，同时其波包在外场中的运动又表现出粒子属性。激光作用下的电子与空穴的有效质量则由其携带的晶格动量及所在能带的色散关系共同决定，其数值非恒定且可以覆盖整个实数域。有趣的是，有效质量在从正值变为负值时，并非逐渐过渡，而是通过正无穷突变为负无穷，出现所谓的“有效质量奇点”。然而，在过往关于固体中电子超快动力学和高次谐波辐射的研究中，这一重要物理量往往被忽略。

高次谐波是将低能光子转换为高能光子的非线性光学现象，对理解和控制固体内的超快过程意义重大。其有望在固体中产生极短的阿秒脉冲，从而为新型超快光源的发展提供平台。这一谐波辐射过程对电子运动和能带结构极为敏感，使得我们可以借此探测材料内部的电子行为并揭示材料的拓扑特性，为设计高频、高效率的光电子器件提供理论依据。

固体高次谐波产生示意图

近日，精密测量院激光诱导超快电子动力学研究组通过模拟激光与一维SSH链晶体相互作用时的高次谐波辐射现象，发现原胞内和原胞间的谐波在有效质量奇点处发生π相位跳变，导致原本正有效质量区域中的完全相长干涉转变为负有效质量区域中的完全相消干涉。与此同时，当入射激光的偏振方向沿二维氮化硼中镜像对称破缺的方向时，也观察到了类似现象，而在镜像对称保持的方向则未见此现象。这项研究表明，有效质量在电子空穴对复碰并辐射谐波过程中扮演着关键角色，尤其在考虑固体谐波的取向特性时的意义尤为突出。

该项成果是激光诱导超快电子动力学团队在晶体强场超快动力学领域取得的重要理论进展，并以“Mass-Singularity-Induced Phase Jump in High-Harmonic Generation from Symmetry-Breaking Crystals”为题发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.）上，博士后陈家享为第一作者，研究员卞学滨为通讯作者。

该研究得到了湖北省创新群体项目、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.186901