单层WS2中量子干涉与布里渊区占据调控的高次谐波生成研究

《Nature Communications》：Quantum interference and occupation control in high harmonic generation from monolayer WS2

本刊推荐：为探索强激光场下二维六方材料中载流子动力学机制，研究人员开展单层WS2高次谐波生成（HHG）研究。通过中红外激光驱动实验与量子模拟相结合，发现从局域能谷到全布里渊区（BZ）的量子干涉效应可调控谐波光谱，首次在二维体系中观测到带间/带内路径干涉导致的峰分裂现象。该工作为全光操控能谷电子学和非平衡量子现象提供新途径。

　　

当超快激光脉冲照射到原子级厚度的二维材料时，会产生极其有趣的非线性光学现象。其中高次谐波生成（High-Harmonic Generation, HHG）作为强场物理的重要探针，近年来在揭示固体材料中载流子超快动力学过程方面展现出独特优势。过渡金属二硫化物（TMDs）如WS₂等二维材料因其特殊的能谷自由度（valley degree of freedom），为能谷电子学（valleytronics）和量子计算应用提供了理想平台。然而，当前研究大多聚焦于K/K'能谷附近的局域激发，当强激光场驱动电子跨越整个布里渊区（Brillouin Zone, BZ）时，远离能谷区域的相干载流子动力学机制仍不清晰。

针对这一科学问题，韩国浦项科技大学Jonghwan Kim团队与德国马普所Angel Rubio团队合作，在《Nature Communications》发表了最新研究成果。研究人员通过精密设计的实验与多尺度理论模拟相结合，揭示了单层WS₂在强激光场驱动下从微扰区到非微扰区的转变过程中，量子干涉效应对HHG的关键调控作用。

关键技术方法

研究采用金辅助剥离法制备高质量单层WS₂样品，并通过六方氮化硼（hBN）封装降低缺陷。利用自建飞秒激光系统产生4.5μm波长（0.28eV光子能量）、120fs脉宽的中红外脉冲，精确匹配WS₂的七光子激子共振能隙。通过偏振分辨HHG光谱测量和半导体布洛赫方程（Semiconductor Bloch Equations, SBE）模拟，结合紧束缚（Tight-Binding, TB）模型能带计算，解析了k空间分辨的谐波发射机制。

从微扰到强场驱动的HHG转变

实验观察到随着激光强度增加，HHG行为发生显著变化。在低于185 GW/cm²的微扰区，七次谐波（1.93eV）产额随激光强度呈I⁷标度关系，表明其主导机制为K/K'能谷的七光子激子共振增强。当强度超过200 GW/cm²时，谐波产额出现明显拐点，同时5-11次谐波平台开始形成，标志着非微扰机制的激活。

晶体取向依赖性的演变进一步验证了这一转变。在微扰区（125 GW/cm²），谐波发射呈各向同性；而在非微扰区（235-380 GW/cm²），谐波产额出现60°周期性调制，且调制深度和相位随强度增加发生系统性变化，表明激光激发机制发生根本性改变。

七次谐波光谱中的量子干涉效应

高分辨率光谱测量揭示了更为精细的量子干涉现象。在150 GW/cm²附近，七次谐波峰开始显著展宽；在200 GW/cm²左右出现多重峰分裂；而当强度达到250 GW/cm²时，分裂峰重新合并为宽谱 profile。这种光谱演化与谐波产额的拐点行为发生在同一强度区间，强烈暗示了多量子路径干涉的存在。

理论模拟揭示干涉物理机制

研究人员通过SBE-TB模拟成功复现了实验观测。理论分析表明，谐波产额的拐点源于带间（interband）和带内（intraband）发射通道的量子干涉，而峰分裂现象则与载流子在布里渊区多点的占据密切相关。k空间分辨分析显示，在强场条件下电子不仅占据K/K'能谷，还扩展到Γ和M点区域。

通过人为修改TB模型抑制Γ和M点贡献的对照模拟进一步证实：当仅保留K/K'能谷附近能带结构时，峰分裂现象完全消失，证明该效应确实源于布里渊区不同点发射的量子干涉。

研究结论与意义

这项研究通过HHG光谱学方法揭示了二维六方材料中超越能谷自由度的丰富物理现象。研究表明，强激光场可驱动载流子跨越整个布里渊区，其量子干涉效应为全光操控电子结构提供新途径。特别值得关注的是，该工作首次在二维体系中观测到带间/带内路径干涉以及布里渊区多点占据导致的谱线分裂，为开发基于多k点操控的量子器件奠定基础。这种全光学方法无需电极接触即可选择性地激发和读取布里渊区高低对称点的电子态，有望推动能谷电子学向拍赫兹频率领域发展，为下一代光电子器件提供新范式。