《科学•进展》报道我校理学院超快光物理团队最新研究进展

2023-02-21来源:理学院作者:彭裔耕审核人:李鸿涛编辑:葛玲玲阅读:1749

近日,我校理学院超快光物理研究所陆瑞锋教授团队与华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室Konstandin Dorfman研究员合作,在具有转动周期性体系的类固体高次谐波理论研究中取得重要进展,相关研究成果以“Solid state-like high harmonic generation from cluster molecules with rotational periodicities” 为题发表在美国科学促进会旗下学术期刊《科学•进展》(Science Advances)上。理学院青年教师彭裔耕博士是该论文的第一作者,陆瑞锋教授、余超副教授和华东师范大学Konstandin Dorfman研究员为共同通讯作者,南京理工大学为第一完成单位,我校博士研究生吴桐、袁广鲁、郗丽涵以及华东师范大学蒋士成副研究员参与了此项研究。

文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6810。

超快强激光与物质相互作用产生的高次谐波(HHG)因其在新型光源和超快光谱表征技术方面的应用潜力而受到广泛研究。气体原子、分子靶材在强激光驱动下的HHG机理可用电子“电离-加速-回碰”的三步模型(Phys. Rev. Lett. 1993, 71, 1994)进行解释。在固体靶材的高次谐波研究中,陆续发现了带内布洛赫振荡(Nat. Photon. 2014, 8, 119)、朗道-齐纳隧穿(Phys. Rev. A 1997, 56, 3093)、二维材料的类原子谐波(Sci. Adv. 2018, 4, eaao520)以及因对称性破缺导致的偶次谐波辐射(Nat. Phys. 2017, 13, 262)等现象。

图一. (A) 原子能级及气体高次谐波辐射;(B) 平移周期性体系的能带及固体高次谐波辐射;(C) 转动周期性体系的准能带及类固体高次谐波辐射

团簇是由数个至上万个原子组成的特殊体系,呈现出介于原子和固体之间的物理性质。强激光场与稀有气体团簇相互作用的实验研究发现了高次谐波产率随原子密度的非二次方增强,且随着团簇尺寸变大谐波截止能量增大(Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 263401),相应的理论研究认为其更高的效率来自电子离域性导致的较大电离率和复合率(Opt. Express 2018, 26, 3067)。目前文献报道的原子、分子包括上述团簇的高次谐波研究中,体系中的电子被驱动激光电离,随电场加速运动,当激光电场反向后,电子与母离子复合,释放出高能光子,相关动力学过程中的第一步即为“电离”。在不导致靶材表面电离的激光条件下,晶体中的价带电子经多光子或隧穿激发到导带,电子(空穴)随电场在导带(价带)内布洛赫振荡而辐射带内谐波,电子与空穴复合亦可辐射带间谐波,因此基于平动不变性的布洛赫定理,固体高次谐波可通过求解含时、含外场的半导体布洛赫方程来模拟研究。

碳环团簇C18的9重(polyynic)和18重(cumulenic)对称性结构长期存在争议,2019年实验合成的C18经STM和AFM表征被认为是polyynic构型(Science 2019, 365, 1299),理论计算指出这类分子具有大的跃迁偶极矩并在非线性光学方面拥有应用潜力(Carbon 2020, 165, 461)。陆瑞锋教授课题组以C18为研究对象,提出了基于转动不变性的高次谐波新机制,利用转动周期性边界条件构建了准能带结构以及准能带之间的跃迁偶极矩,并通过求解含时刘维尔-冯诺依曼方程模拟了该团簇分子离域电子的激发(无电离)以及随后在准能带结构中的带内和带间跃迁过程,所产生的高次谐波机理与基于固体能带理论的电子“激发-布洛赫振荡-复合”三步模型非常相似,因此被称为类固体(solid-state-like)高次谐波。实验和理论研究均表明:(1)固体高次谐波的截止能量不依赖于泵浦激光波长,而气体高次谐波的截止能量随泵浦激光波长增加明显增大;(2)固体高次谐波的截止能量与激光强度的平方根成正比关系,而气体高次谐波的截止能量与激光强度成正比关系。如图二所示,C18的类固体谐波截止能量随着泵浦光波长缓慢降低,这和气体高次谐波截然相反,而与固体高次谐波特征更为接近。如图三所示,C18的类固体谐波截止能量随着驱动激光强度的平方根变化,这和气体高次谐波完全不同,而与固体高次谐波特征一致。此外,超快光物理团队发现不同对称性结构辐射的类固体谐波的奇偶次特性存在显著差异,含时密度泛函理论(TDDFT)计算进一步验证了准能带模型的模拟结果(图四)以及利用高次谐波光学表征结构的可行性,有望推广到满足转动周期性条件的其他体系(环状团簇和超分子、纳米管等)。关于气体谐波与固体谐波之间的类比,实际上在朗道-齐纳(Landau-Zener)与开尔迪希(Keldysh)的隧穿模型中已经有迹可循,该工作加深了对高次谐波现象的认识,被认为是连接气体分子高次谐波和固体高次谐波领域的一项重要贡献(审稿意见:Overall, therevisedmanuscriptisan important contribution for linking the fields of molecular and solid-state HHG. This is a welcome and original contribution that is likely to drive further progressandthetransfer of ideas between these two areas of research)。


图二. 不同驱动激光波长下C18团

分子的高次谐波谱:图A为准能带模型模拟结果,图B为TDDFT计算结果

图三. 不同驱动激光强度下C18团

分子的高次谐波谱:图A为准能带模型模拟结果,图B为TDDFT计算结果


图四. 不同对称性C18团

分子基于准能带模型的类固体高次谐波模拟谱

该工作得到了国家自然科学基金(12174195, 12074124, 11974185, 11904028, 11834004)、江苏省杰出青年基金(BK20170032)等项目,以及南京理工大学理学院、“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的支持。


超快光物理基础研究团队简介:本团队面向先进光源、新型光场调控物理及应用等重大应用基础研究需求、军委科技委“原子制造”等国防应用需求,聚焦“强场激光物理及高次谐波”和“半导体激发态光物理及超快动力学”两方面研究,以实现飞秒乃至阿秒量级时间分辨、原子级或纳米空间尺度的物理调控为核心目标,努力构筑一个有特色的理论指导实验的研究平台,在此基础上探索新物理与新应用,近5年来取得的代表性创新成果有:Science Advances 2023, 9, eadd6810; Physical Review X 2022, 12, 021030; Physical Review Letters 2022, 128, 047401(ESI高被引论文); Advanced Materials 2021, 33, 2104695; Physical Review B 2020, 102, 241407(R); Advances in Physics: X 2019, 4, 1562982(ESI高被引论文); Physical Review Letters 2018, 120, 253201(ESI高被引论文)。本团队现有专职科研人员10人,其中教授2人、副教授6人、讲师2人,2022年入选学校首批科研创新团队。团队负责人陆瑞锋教授曾受邀为国家自然科学基金委数学物理科学部、化学科学部和信息科学部重点类项目及科技部创新人才推进计划评审专家,目前担任Chemical Physics Letters 期刊编辑(Editor),以及 Science China - Physics, Mechanics &Astronomy、InfoMat、Ultrafast Science、《光子学报》等期刊青年编委。