对称性作为现代物理学最重要的基石之一，对固体材料中丰富多样的量子物态起到了决定性的作用。近日，清华大学物理系周树云教授及合作者发文报道利用超快飞秒激光实现电子态对称性的调控。通过超快时间分辨角分辨光电子能谱测量，他们直接揭示了周期光场对半导体材料黑磷中光修饰的弗洛凯电子态的宇称对称性的调控，并观测到周期光场作用所导致的奇特“热点”能谱。研究成果以“Manipulating the symmetry of photon-dressed electronic states”为题于2024年12月3日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

       光场的时间周期性特性可以被用来调控材料的电子结构，进而实现超快时间尺度上的对称性和拓扑物态调控，这一方法被称为弗洛凯瞬时调控。自提出以来，弗洛凯瞬时调控吸引了物理学家的广泛关注，然而其实验实现极具挑战性。周树云团队通过多年实验积累，攻克中红外泵浦超快光电子能谱技术难点，首次在半导体材料黑磷中实现弗洛凯能带调控，诱导出瞬态能隙（Nature 614, 75 （2023））。更进一步通过研究瞬态能隙在二维动量空间的演化，证明了滑移镜面对称性的瞬时破缺（ACS Nano 18, 32038 （2024）），以及实现了远低于带隙的非共振激发导致的弗洛凯瞬时调控（Phys. Rev. Lett. 131, 116401 (2023)）。

图1： 光修饰弗洛凯电子态的宇称对称性示意图

       目前弗洛凯调控研究主要集中于弗洛凯电子态的观测和电子能带结构的调控方面，利用该方法直接调控电子态对称性的实验研究还非常有限，特别是弗洛凯调控如何改变电子态对称性还有待进一步研究（图1）。周树云研究团队通过采用独特的具有可调光偏振时间分辨角分辨光电子能谱技术，首次成功解码半导体黑磷中光修饰弗洛凯电子态的宇称对称性。他们观测到，在周期光场作用下，奇宇称电子态在光修饰后被转换为偶宇称（图2），表明了周期光场诱导的电子态的宇称转换。

图2： 利用可调光偏振时间分辨角分辨光电子能谱技术揭示电子态宇称对称性的示意图。光诱导的宇称对称性转换和奇特的“热点”能带的实验结果

       更有意思的是，光修饰弗洛凯电子态不仅发生了宇称的转换，还表现出奇特的孤立“热点”形状能谱。通过结合第一性原理计算，他们发现这一奇特的“热点”形状能谱来源于弗洛凯调控所诱导的电子能带间的相互作用，表明了弗洛凯调控对于电子态对称性的重要影响。物理系孙志远研究组进一步利用两能带模型，指出该“热点”型能谱由材料的对称性所决定，具有一定普适性。该工作不仅展现了可调光偏振时间分辨角分辨光电子能谱技术在研究光修饰电子态对称性的强大能力，并且首次提供了弗洛凯调控材料对称性的直接证据，为未来弗洛凯调控对称性和拓扑物态研究奠定了基础。

       清华大学物理系周树云教授为该论文的通讯作者，清华大学物理系“水木学者”鲍昌华博士为该论文的第一作者。主要合作团队包括清华大学物理系孙志远助理教授、段文晖教授、于浦教授、瑞士保罗谢勒研究所Michael Schüler助理教授。该研究工作受到了国家自然科学基金委科学中心、重点项目，科技部重点研发计划，博新计划、清华大学“水木学者”计划等资助，同时得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室的支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54760-7