粒子的質(zhì)量反映了其在外力作用下的響應(yīng)能力，在非相對(duì)論框架下其質(zhì)量保持恒定不變。而在晶體中，電子以周期性的布洛赫波的本征形式存在，同時(shí)其波包在外場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)又表現(xiàn)出粒子屬性。激光作用下的電子與空穴的有效質(zhì)量則由其攜帶的晶格動(dòng)量及所在能帶的色散關(guān)系共同決定，其數(shù)值非恒定且可以覆蓋整個(gè)實(shí)數(shù)域。有趣的是，有效質(zhì)量在從正值變?yōu)樨?fù)值時(shí)，并非逐漸過(guò)渡，而是通過(guò)正無(wú)窮突變?yōu)樨?fù)無(wú)窮，出現(xiàn)所謂的“有效質(zhì)量奇點(diǎn)”。然而，在過(guò)往關(guān)于固體中電子超快動(dòng)力學(xué)和高次諧波輻射的研究中，這一重要物理量往往被忽略。

高次諧波是將低能光子轉(zhuǎn)換為高能光子的非線性光學(xué)現(xiàn)象，對(duì)理解和控制固體內(nèi)的超快過(guò)程意義重大。其有望在固體中產(chǎn)生極短的阿秒脈沖，從而為新型超快光源的發(fā)展提供平臺(tái)。這一諧波輻射過(guò)程對(duì)電子運(yùn)動(dòng)和能帶結(jié)構(gòu)極為敏感，使得我們可以借此探測(cè)材料內(nèi)部的電子行為并揭示材料的拓?fù)涮匦裕瑸樵O(shè)計(jì)高頻、高效率的光電子器件提供理論依據(jù)。

固體高次諧波產(chǎn)生示意圖

近日，精密測(cè)量院激光誘導(dǎo)超快電子動(dòng)力學(xué)研究組通過(guò)模擬激光與一維SSH鏈晶體相互作用時(shí)的高次諧波輻射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)原胞內(nèi)和原胞間的諧波在有效質(zhì)量奇點(diǎn)處發(fā)生π相位跳變，導(dǎo)致原本正有效質(zhì)量區(qū)域中的完全相長(zhǎng)干涉轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)有效質(zhì)量區(qū)域中的完全相消干涉。與此同時(shí)，當(dāng)入射激光的偏振方向沿二維氮化硼中鏡像對(duì)稱(chēng)破缺的方向時(shí)，也觀察到了類(lèi)似現(xiàn)象，而在鏡像對(duì)稱(chēng)保持的方向則未見(jiàn)此現(xiàn)象。這項(xiàng)研究表明，有效質(zhì)量在電子空穴對(duì)復(fù)碰并輻射諧波過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，尤其在考慮固體諧波的取向特性時(shí)的意義尤為突出。

該項(xiàng)成果是激光誘導(dǎo)超快電子動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)在晶體強(qiáng)場(chǎng)超快動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得的重要理論進(jìn)展，并以“Mass-Singularity-Induced Phase Jump in High-Harmonic Generation from Symmetry-Breaking Crystals”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett.）上，博士后陳家享為第一作者，研究員卞學(xué)濱為通訊作者。

該研究得到了湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.186901