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石墨烯中兰道-泽纳-马约拉纳跃迁的亚周期视频成像

Nature2026年10月28日 00:00

根据绝热定理,时间依赖的双能级量子系统在缓慢演化过程中保持其基态。然而,通过避免的能量交叉以快于其固有时间尺度驱动系统,可以通过称为兰道-泽纳-马约拉 纳(LZM)隧道的非绝热跃迁产生激发态的有限占据。该机制是强场光-物质相互作用的核心。然而,在动量空间中直接观察这一基础量子效应仍然缺失。石墨烯的独特性质为观察LZM跃迁提供了理想的测试平台。其准相对论性电子色散和在强光辐射下的稳健性使这种材料成为光波电子学的主要测试平台,包括首次光波电子逻辑门和Floquet-Bloch态的展示。这为量子控制、量子传感和量子计算应用开辟了革命性的前景。理解和塑造光波控制电子所提供的机会需要直接观察LZM跃迁如何决定强场光-物质相互作用。阿秒光谱学已达到足够的时间分辨率来获取这些动态,时间和角度分辨光电子发射光谱(trARPES)结合动量显微镜已直接可视化量子材料的能带结构或分子层轨道中的电子动态。具有亚周期时间分辨率的trARPES已结合了这些方法,但仅提供了有限的一维动量空间访问。为了追踪相干强场现象和散射引起的动量重分布,观察整个动量空间中的载流子动态至关重要。在这里,我们将亚周期能带结构视频成像扩展到整个第一布里渊区(BZ)。该新平台克服了动量显微镜和亚周期ARPES的先前限制,将可通过亚周期分辨率访问的动量区域增加了两个数量级,所需的场强度增加了一个数量级。利用具有大峰值振幅的少周期中红外(MIR)场瞬态,我们在石墨烯的BZ边缘驱动相干电子动态。这一方法揭示了光驱动电子分布的同时位移和畸变,揭示了在石墨烯中LZM跃迁下相干带内和带间动态之间的相互作用。此外,在二维动量空间中跟踪非热亚周期分布揭示了不同散射过程如何影响光波驱动的动态。当低强度短波长光与固体中的电子相互作用时,它可以在占据带和未占据带之间由光子能量的整数倍分开的动量区域诱 导微扰性的带间量子跃迁。在石墨烯中,非平凡的假自旋结构影响着底部和顶部德拉克锥之间的偶极矩,导致激发载流子的分布仅沿光场垂直方向分布。相反,强低频场瞬态可以在亚周期时间尺度内绝热加速载流子,从而根据布洛赫的加速定理在动量空间中偏转费米面。在他们的远足期间,电子经历一个能量间隙,在石墨烯中,该间隙在线性变化至K点形成避免交叉。因此,场驱动的加速可能驱动典型的LZM跃迁,与图1a相比,在动量空间中留下显著不同的占据。如果驱动场是周期性的,在连续的非绝热事件之间累积的相位——斯图克尔伯格相位,导致所谓的兰道-泽纳-斯图克尔伯格-马约拉纳(LZSM)干涉。图1:二维动量空间中的LZM跃迁。a,说明在弱场环境下未掺杂石墨烯的光-物质相互作用的基本电子过程。在这里,电子可以通过吸收从价带跃迁到导带。在石墨烯中,光学选择规则倾向于在与电场的极化垂直的动量方向上进行跃迁。b,在强场环境下,电子可以通过电场(虚线蓝色箭头)经历弹道加速。与此同时,电场可以在亚周期时间尺度上驱动带间LZM跃迁,使电子从价带隧穿到导带(实心红色箭头)。

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