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拓扑材料的超快光谱研究

Research on topological materials using ultrafast spectroscopy

刘豪，孟建桥

物理学报, 2026, 75(4): 040703

doi: 10.7498/aps.75.20251330

CSTR: 32037.14.aps.75.20251330

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文章导读

拓扑材料以其对称性保护的非平庸能带结构（如狄拉克锥、外尔节点等）为核心特征，展现出丰富的量子物态。这类材料在量子输运、自旋电子学及非线性光学等领域具有广阔的应用前景。近年来，超快泵浦-探测（pump-probe）光谱技术已成为揭示量子材料非平衡态动力学的利器。凭借飞秒级时间分辨率，该技术能够直接观测电荷、自旋、轨道及晶格相互作用在本征时间尺度上的演化，为理解拓扑体系内部的耦合机制提供了独特视角。

本文系统综述了超快光谱技术在拓扑绝缘体（包括非磁性与磁性体系）及拓扑半金属（涵盖狄拉克与外尔半金属）两大类拓扑材料领域的最新研究进展。在拓扑绝缘体部分，重点分析了以Bi₂Se₃为代表的非磁性体系中光激发后表面态与体电子态的不同弛豫路径，深入探讨了电子-声子散射、表面-体电荷转移及超快自旋翻转等动力学过程。对于磁性拓扑绝缘体，文章阐述了光激发诱导的超快退磁、太赫兹脉冲辐射、相干磁振子激发以及与磁序相关的能带重构，揭示了电子-自旋-晶格耦合在驱动拓扑相变中的关键作用。在拓扑半金属部分，综述介绍了狄拉克与外尔半金属中独特的非平衡态粒子数反转以及倾斜能带结构诱导的自旋极化动力学，并论述了这些动力学特性如何赋予材料显著增强的非线性光学效应，为实现高次谐波产生、宽频太赫兹发射等应用奠定了物理基础。此外，本文还系统归纳了强光场对量子相态的非热调控手段，包括基于电子关联（如弗洛凯工程和圆偏振光破缺时间反演对称性等）、相干声子介导的瞬态晶格畸变以及磁空间群对称性重构引发的瞬态相变。

最后，文章对该领域的未来方向进行了展望，强调了发展具备时间-能量-动量-自旋多维度分辨率的超快光谱技术，并将其与先进理论模拟相结合的重要性，以期构建非平衡态拓扑演化的完整物理图景。本综述旨在为拓扑量子材料的超快动力学研究提供系统参考，助力其在高速低功耗信息处理及量子计算等领域的应用开发。

图1 (a) 表面态与体态能带结构示意图及中红外/太赫兹泵浦-太赫兹探测方案；(b) 外尔点附近热化后电子（实心圆）与空穴（空心圆）的不对称分布

作者简介

孟建桥

2004年湖南师范大学毕业，2009年获得中国科学院物理研究所博士学位。

2009-2011年在加州大学圣克鲁兹分校、2011-2013年在洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究。2014年回国加入中南大学，任特聘教授，现任中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所所长。长期从事高温超导体、重费米子超导体、拓扑量子材料等强关联体系的电子结构与超快动力学研究。在Nature，Phys. Rev. Lett，Phys. Rev. B等国际知名期刊发表学术论文80余篇。Phys. Rev. Lett.，Nat. Phys.，Nat. Commun.，Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.等杂志审稿人。

刘  豪

中南大学博士后

2018年中南大学毕业，2025年获得中南大学物理学博士学位。主要从事磁性拓扑材料的电子结构和超快动力学研究。