前沿| PRL: 南京理工理学院超快光物理团队最新研究进展

近日，南京理工大学理学院超快光物理研究所陆瑞锋教授团队在强关联电子体系高次谐波辐射的理论研究方面取得最新进展，相关研究成果以“High-Harmonic Generation Approaching the Quantum Critical Point of Strongly Correlated Systems”为题，发表在美国物理学会学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Lettets，简称PRL)上，其中南京理工大学为第一完成单位，邵灿副教授为第一作者，陆瑞锋教授为通讯作者，其他作者包括兰州大学陆汉涛教授、德国莱布尼兹固体材料研究所的张潇、该校理学院余超副教授以及东京理科大学远山贵巳教授。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.047401。

量子相变在凝聚态物理学研究中具有广泛的意义，因为它们发生在零温下，热涨落消失而量子不确定性得以体现。在多体系统中，量子相变往往伴随着新的局域序参量出现。然而，并不是所有的序参量都可以用宏观可观测量来测量，而且有些可观测量并不适用于深入研究量子临界行为。动力学响应函数（如频率相关的光电导）为研究量子临界现象提供了一条重要途径。由于准粒子图像的破坏和量子相变点附近丰富的非相干激发通道，系统对外部扰动的敏感性更高，特别是在短时间尺度上。因此可以预期，非平衡和非线性行为在这些系统中相对活跃，从而为探测量子相变和量子临界行为提供了一个有前景的工具。

高次谐波是强激光与靶材相互作用时高阶非线性效应过程中辐射的光信号，具有很宽的频谱，目前已经成为众多激光实验室实现阿秒脉冲的首选光源。由于高次谐波辐射过程携带着目标靶材的结构信息以及动力学信息，高次谐波谱也是用来探测靶材结构、电子及核动力学过程的有效工具。在超快超强激光物理研究中，通常采用气相介质来产生高次谐波，自2011年斯坦福大学科研人员用ZnO晶体作为介质获得高次谐波以来(S. Ghimire et al.,Nat. Phys.2011, 7, 138)，固体谐波辐射吸引了全球许多知名研究机构和课题组的兴趣。最近的研究也开始涉及到强关联系统中高次谐波产生的物理机理（Y. Murakami et al, Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 057405；S. Imai et al, Phys. Rev. Lett. 2020, 124, 157404）。

不同于以往对谐波机制的探索或利用强度特征来研究材料的非平衡动力学性质，超快光物理研究团队的该项理论工作基于精确对角化方法研究了一维半满扩展Hubbard模型的超快动力学，发现高次谐波谱与光电导谱具有很好的对应关系（图1a、1b），为解释关联系统中高次谐波的平台和截止频率提供了思路，而强关联体系量子临界点（QCP）附近可产生效率更高的高次谐波（图1b、1c）。此外，该论文探讨了基于奇偶次谐波信号探测拓扑相变的可行性。在存在相互作用的二维Haldane模型中，系统发生了从Chern绝缘体到电荷密度波相（CDW）的拓扑相变。Chern绝缘体中同时存在奇次谐波和偶次谐波（图2a），而CDW相中只出现奇次谐波且3(2n+1)次谐波辐射被抑制（图2b），该特性可用于光学检测材料的拓扑相变行为。

图1. 一维扩展Hubbard模型中光电导谱（上图）和高次谐波谱（中图、下图）

 图2. 二维Haldane-Hubbard模型中不同相互作用参数V下的高次谐波谱（左列）和其对应的电流含时变化图（右列）

陆瑞锋教授课题组(www.ammpg.net)近年来主要围绕超快光物理、材料物理、能源与环境等领域的前沿课题，发展理论模型、开发计算软件并结合多尺度数值模拟进行相关应用基础研究。最近课题组与国内外合作者在水脱盐和水输运的动力学研究以及非铅钙钛矿材料和转角双层材料的光物理研究中取得了良好进展，论文分别发表于《物理化学快报》(The Journal of Physical Chemistry Letters2022, 13, 258；封面图3)、《美国化学会-纳米》(ACS Nano2021, 15, 10342)、《先进光学材料》(Advanced Optical Materials2022, 10, 2101344)、《先进材料》(Advanced Materials2021, 33, 2104695)等期刊上。

上述工作得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金等项目，以及理学院、“半导体微纳结构与量子信息感知”工信部重点实验室、人事处、科研院和研究生院等相关部门以及南京邮电大学谢燕楠教授、美国伊利诺伊大学芝加哥分校Petr Král教授、大连化学物理研究所韩克利研究员、兰州大学罗洪刚教授和安钧鸿教授、北京计算科学研究中心林海青院士、南京大学宋凤麒教授的支持和鼓励。

近年来，该校物理学科在特色理科建设方面取得良好成绩。2021年获批物理学博士学位授权一级学科点并进入ESI前1%。近期成功入选“十四五”江苏省重点学科立项名单。2021年12月理学院阚二军教授团队在室温铁电半导体方面取得重要进展，已被《物理评论快报》接收。

图3. 外电场助力石墨烯多孔膜用于水脱盐

来源：【南京理工大学】官网

https://zs.njust.edu.cn/69/a6/c3558a289190/page.htm