近年來，由于奇特的電子和光電特性，范德瓦爾斯層狀量子材料受到人們極大的關注，黑磷是其中的典型代表。它具有依賴層數的能隙，且易于用電場調控，被認為是未來光電器件的重點候選材料。
在通常條件下黑磷是窄帶隙半導體，然而在光照等非平衡條件下，黑磷性質可能發生巨大改變，但人們并不知曉。為了研究光照等非平衡條件下量子材料的非平衡電子結構，需要發展非平衡條件下的第一性原理計算方法。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF10組博士生劉行在研究員孟勝、副研究員孫家濤指導下，與美國猶他大學教授劉鋒合作，發展了把Floquet定理分析和第一性原理動力學計算相結合的新方法，在國際上首次實現了層狀黑磷在周期性光場驅動下的非平衡態電子結構的研究。
劉行等發現在圓偏振光場驅動下，黑磷的電子態受光場調制而發生改變，其結果依賴于光場的入射方向、強度、手性等參數。在拉伸黑磷中，他們預言了光子修飾的Floquet拓撲絕緣體態、Floquet狄拉克半金屬態等非平衡電子態。更重要的是，周期性光場不僅可以產生第一類和第二類的狄拉克錐，并且可以實現二者之間的拓撲相變，從而實現第三類的狄拉克錐，即第一類和第二類狄拉克錐之間的過渡狀態。
光場驅動的電子結構變化源于光學斯塔克效應。他們進一步發現，表面態的輸運方向與圓偏光的手性相互鎖定，從而實現光學手段對非平衡拓撲輸運的調控。這個工作將黑磷性質研究推廣到了非平衡態，對于深入理解量子材料的非平衡態電子結構，以及開拓新穎光電子器件具有重要意義。同時，發展的新理論方法可用于研究其它量子材料的非平衡電子態，將大大拓寬新型拓撲電子態研究。
論文發表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 120，237403)上。該研究受到科技部(2016YFA0202300, 2016YFA0300902, 2015CB921001, 2013CBA01600)、中科院先導項目(XDB07030100)和美國能源局(DE-FG02-04ER46148)的資助。第一性原理研究所需的大規模并行計算在天津國家超算中心天河1號平臺上完成。
圖1. 圓偏光輻射下的黑磷結構示意圖，及其Floquet電子態的變化。
圖2. 圓偏光調控的非平衡電子態及其Lifshitz相變。
圖3. 圓偏光的入射光子能量、入射光強度、手性、入射角度等參量對于Floquet狄拉克電子態的影響。
圖4. 黑磷中非平衡電子態變化的物理機制來源于光學斯塔克效應。
圖5. 入射光手性與邊緣態電子輸運速度是鎖定的，有利于設計新型光控拓撲器件。
文章來源：物理研究所
IEEE Spectrum
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