2023年清华首篇Nature：周树云团队关于Floquet工程的新成果

　　时间周期光场已经成为控制固态材料、冷原子和光子系统中的量子态的一个控制旋杆，通过在强耦合极限下与光子修饰的Floquet态杂交，被称为Floquet工程。这种相互作用导致了量子材料的定制性质，例如，狄拉克材料的拓扑性质的修改和光学响应的调制。尽管在过去的十年中有广泛的研究兴趣，但没有实验证据证明半导体的动量分辨Floquet带工程，这是将Floquet工程扩展到广泛的固态材料的关键一步。

　　2023年2月1日，清华大学周树云团队在Nature 在线发表题为“Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus”的研究论文，该研究基于时间和角度分辨的光电发射光谱测量，报告了一种模型半导体黑磷的Floquet带工程的实验特征。

　　在340-440 meV光子能量的近共振泵浦中，在带边附近观察到强烈的带正化现象。特别是，光诱导的动态间隙开放在共振点被解决，这与Floquet边带同时出现。此外，带重整化显示了一个强的选择规则，有利于沿扶手椅方向的泵浦极化，这表明由晶格对称性强制的Floquetband工程的伪自旋选择性。总之，该研究工作证明了黑磷中的伪自旋选择性Floquet带工程，为半导体Floquet工程提供了重要的指导原则。

　　时间周期光场可以通过光子的虚吸收或虚发射诱导出光子修饰的电子态，这种态被称为Floquet态，类似于空间周期晶体中的Bloch态。Floquet态之间的相互作用为动态调整量子材料的电子、对称和拓扑性质提供了一条途径，例如，控制狄拉克材料的非平衡拓扑性质，在半导体中诱导Floquet拓扑相，以及调制光学响应和隧道电流。

　　Floquet带工程的最基本物理在于诱导原始Bloch态和被光子修饰的Floquet边带之间的带杂化。以半导体为例，Bloch带(在Floquet理论框架中为m, n = 0状态)和Floquet边带之间的强耦合，例如导带(CB)的n =−1和价带的m = 1，可以导致在交叉点处出现动态间隙开放。此外，在近共振泵浦时，n =−1的CB边靠近VB边，这可能导致更强的相互作用。这种时间依赖和动量依赖的带重整化可以通过自旋、谷旋和伪自旋自由度进一步丰富。

半导体黑磷的Floquet带工程原理图（图源自Nature ）

　　尽管在过去的十年中，研究兴趣不断高涨，但到目前为止，动量依赖Floquet带工程的直接实验演示仅限于Bi2Se3的拓扑表面状态，由于其独特的线性色散，可以有效地与低能光子耦合。对于半导体WSe2，还没有检测到带重整化。在狄拉克材料之外，这样的Floquet带工程是否真的现实，仍然是一个长期存在的问题。回答这个问题很重要，特别是考虑到半导体的Floquet带工程是在拓扑平凡材料中诱导瞬态拓扑态的关键一步。

　　在这里，该研究通过使用中红外(MIR)泵浦的时间和角度分辨光电发射光谱(TrARPES)，报道了半导体黑磷在近共振泵浦上的Floquet带工程的实验特征，它表现出对光偏振的强烈依赖，表明了以前未知的伪自旋选择性。

光诱导能带重整的观察（图源自Nature ）

　　在340-440 meV光子能量的近共振泵浦中，在带边附近观察到强烈的带正化现象。特别是，光诱导的动态间隙开放在共振点被解决，这与Floquet边带同时出现。此外，带重整化显示了一个强的选择规则，有利于沿扶手椅方向的泵浦极化，这表明由晶格对称性强制的Floquetband工程的伪自旋选择性。总之，该研究工作证明了黑磷中的伪自旋选择性Floquet带工程，为半导体Floquet工程提供了重要的指导原则。