非线性光学效应是现代光电技术的核心，广泛应用于激光变频、光信号处理及光伏器件等领域。近年来，随着拓扑物理学的发展，研究人员发现能带交叉点附近的贝里曲率等几何量具有奇异性，能够显著增强材料的光学响应。然而，受限于传统的拓扑物理视角，以往的研究主要集中在导带与价带之间的能带交叉（如外尔半金属和狄拉克半金属）。这类交叉仅存在于半金属材料中，且相应的增强效应被限制在了远红外波段。近日，清华大学物理系王冲、徐勇研究组与合作者另辟蹊径，提出了一种基于“深能带交叉”增强非线性光学效应的全新机制。该研究表明，位于导带或价带内部的能带交叉虽然不直接参与真实的光学吸收跃迁，但却可以通过虚跃迁过程，显著提升材料的非线性光学响应。这项工作将拓扑增强的光学效应的研究范畴从半金属扩展到了半导体和绝缘体材料中，为通过能带工程在任意能带间构建交叉以增强光学响应提供了简单、实用且普适的途径。该成果以“Nonlinear Optical Effects Enhanced by Deep Band Crossings”为题，于2025年11月25日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

研究团队通过构建三带模型，深入阐明了镜面对称保护的深能带交叉对位移电导的增强机制（图1）。研究发现，深能带交叉会导致虚跃迁过程中的带间贝里联络在动量空间发散，从而转化为位移电导的显著增强。随后，该理论被进一步推广至各类深能带交叉及多种非线性响应中。

基于此理论，团队以半导体材料GeTe为例，证实了其导带中的镜面节点线能够诱发巨大的位移电流。计算结果表明，在特定光子能量下，GeTe的位移电导峰值远超传统非线性光学材料（图2）。为验证该机制的普适性，团队利用高通量计算对Materials Project数据库中的2032种镜面对称材料进行了筛选，发现由深能带交叉引起的非线性光学增强效应广泛存在于多种材料中。该项工作为理解能带拓扑对非线性光学的影响提供了全新视角。

清华物理系博士生邹念龙（已毕业）、清华高等研究院博士生李贺（已毕业）为论文共同第一作者。清华物理系王冲助理教授和徐勇教授为通讯作者，论文合作者还包括清华物理系段文晖教授、清华高等研究院顾秉林教授、中国工程物理研究院研究生院副研究员叶萌、同济大学刘易周副教授，清华物理系博士生陈昊伟（已毕业）、孙明辉、郭瑞平。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委员会面上项目及国家杰出青年科学基金的支持。