期刊文章浏览系列之Physical Review Letters，搜集国人重点工作，聚焦PRL选手研究领域，供初入物理科研的老师同学了解前沿动态，找到自己科研的那道光。
Physical Review Letters Vol. 132, Iss. 1
本期期刊文章浏览系列视频推出的是美国物理学会的著名物理杂志Physical Review Letters第132卷第1期的浏览视频，该期杂志于2024年1月刊发，总共34篇文章。国内的研究机构作为通讯作者单位发表的文章迎来一个小爆发，总共11篇，其中复旦大学帽子戏法，南京大学、清华大学均梅开二度，详见下表。![]()
（如果需要上述全部文章链接，请在公众号里发送PRL132.1给我们）
本期PRL选手是北京航空航天大学的汤沛哲。他本科毕业于兰州大学，2015年博士毕业清华大学物理系，师从段文晖院士，2015年至2017年在美国斯坦福大学张首晟教授研究组进行博士后研究，2017年至2018年在德国马克思普朗克结构与动力学研究所(MPSD)Angel Rubio 院士研究组进行博士后研究；2018年4月获得 Marie-Curie Fellow，后继续在 Angel Rubio 院士研究组工作。2019年入选国家“青年海外高层次人才计划”，目前任职北京航空航天大学材料科学与工程学院准聘教授，博士生导师，同时兼职MPSD的Guest Researcher。他主要利用计算模拟的手段（DFT, GW+BSE, TDDFT）从事低维纳米材料，磁性拓扑物态，光与物质的相互作用，拓扑材料在光场下的非平衡动力学演化等方向的研究工作。曾预言反铁磁狄拉克半金属和高陈数拓扑费米子在凝聚态中的存在，SiP2中维度杂化的激子态和激子-声子相互作用。截止2022年10月，已在高影响因子杂志上发表文章 30余篇，其中包括 Science，Nature Physics, Nature Materials, Nature Nano, PNAS, PRL 等顶级期刊，总引用4000余次。目前是Nature, Nature Physics, Science Advances, Nature Commun., PNAS, PRL, PRX, Nano Letters 等期刊特约审稿人。![]()
汤沛哲团队PRL历程 汤沛哲的关键词之一是弗洛凯(Floquet)调控。我们在这个栏目的第4期推文中介绍过弗洛凯对称性，即时间轴上的周期性。单色光场是具有弗洛凯对称性的，所以弗洛凯调控一般指的是用具有弗洛凯对称性的光场与晶体中的电子相互作用，来达到材料电子结构改变的调控方式。一般而言，光用于探测材料的属性，比如X光衍射用于测量晶体结构，拉曼光谱用于测量晶体的振动模式，吸收光谱用于测量电子能级的间距，角分辨光电子谱测量材料的能带结构；在测量物性的时候光子的注入强度是比较低的，不会对材料本体有大的改变，但是当光的强度达到一定程度的时候，被光子激发的电子数目较多，材料偏离基态较远，也就对材料物性有了一定的影响，这就不再是测量的性质，而是变成了人工调控物性的一种手段。近年来，强脉冲激光以及超快过程技术的发展非常迅速，为这个方向的实验提供了基础；从而带火了弗洛凯调控这个方向，让Floquet成为顶刊中频频出现的词。![]()
弗洛凯能带示意图（图片来自网络）
由于时间周期性的光场与晶体中电子的相互作用，晶体材料中可形成一种光子-电子复合态。电子由于实空间的周期晶格场处于布洛赫电子态，从而呈现我们熟知的能带结构；光场中，其运动行为也会被调制，如果对其能量在时间周期上进行平均，其均值会在能量维度上出现周期性的复制，这样的态被称为弗洛凯-布洛赫态(Floquet-Bloch states)，简称弗洛凯态(Floquet states)。除了这样复制的弗洛凯能带之外，通过光与物质的相互作用，弗洛凯能带可被重整化，表现出与平衡态不同的电子结构，从而实现强光场对晶体中电子结构的有效调控。例如弗洛凯能带可以在弗洛凯布里渊区的边界处通过光与物质的相互作用打开能隙，还可以通过含时周期势场破坏量子材料中的某些本征对称性，使量子材料中由本征对称性保护的简并能级产生劈裂，从而实现对能带和对称性的调控。 弗洛凯调控已经出现了一些重要的实验工作，比如MnPS3中非线性光学系数的调控测量以及石墨烯中光诱导的反常霍尔效应等等；理论和计算方面则要发展得更快，人们已经知道弗洛凯调控有望驱动量子材料进入非平衡态，诱发拓扑相变，进而实现非平衡态下可调控的拓扑结构。从普通的量子材料中诱导出新奇的拓扑相，无需改变量子材料本身的晶体结构特征，而光场调控作为切换普通相和拓扑相的手段，这是普通的电调控和应力调控所不能达到的。另外理论也预言弗洛凯调控存在一些新奇的效应，比如能使非磁材料产生磁性，或者调节低维磁性材料的电子关联强度等等。
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材料中的弗洛凯态示意图（图片来自网络）
汤沛哲团队在材料的拓扑物性的以及光和物质相互作用的计算方面有着深厚的积淀，也在材料的弗洛凯调控上做出了不少前沿的工作，团队和清华大学周树云、段文晖组合作，利用光子能量低至 160 meV 的中红外飞秒激光，首次在层状半导体黑磷中实现了非共振弗洛凯瞬时能带调控，并通过第一性原理计算和有效模型分析，揭示了黑磷中弗洛凯能带调控在共振和非共振条件下迥异的能带重整化行为。他们还发现弗洛凯调控具有特定的光学选择定则，并结合理论分析指出这一奇特的偏振选择效应来源于黑磷的赝自旋自由度。该研究工作以Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus为题发表在Nature杂志，Nature同期刊发题为Light tailors the properties of a model semiconductor评述文章对该工作的意义进行正面评价。此外，汤沛哲团队还在拓扑绝缘体薄膜磁性的弗洛凯调控等方面有所涉猎。
借助于团队在光合物质相互作用计算方面的优势，2022年汤沛哲和南京大学袁洪涛教授团队和德国马普所Angel Rubio教授团队合作，找寻到一种全新的具有二重旋转对称性的层状材料体系二磷化硅，其导带中的电子会束缚于晶格中的准一维磷磷原子链中，而价带中的空穴电子态则扩展于晶格二维平面之内，这样的电子和空穴，通过库仑相互作用形成了一种非常规的具有“混合维度”属性的各向异性激子态，从而拓展了光电器件的设计思路。该项工作“层状半导体中的混合维度激子态”被评为众多业内专家评为2022年中国半导体十大研究进展提名奖。
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