2026年10月12日——耶拿弗里德里希·席勒大学和雷根斯堡大学的研究人员开发出一种利用光来确定电子一种此前难以获取的量子特性的方法。研究的焦点是所谓的贝里曲率——一个描述电子量子力学态某些几何性质的量。研究人员利用超短激光脉冲，在仅一个原子层厚的半导体二硒化钨层中测量了该量。相关结果已发表在最新一期《Nature Photonics》期刊上。

一种难以测量的量子特性

晶体中的电子并不只是像微小粒子那样沿着固定路径运动。它们的行为由量子力学态决定。研究人员将这些态的几何性质统称为“量子几何”。其中一个重要参数是贝里曲率。除其他作用外，它会影响电子对光或电场的响应。

迄今为止，贝里曲率主要是通过理论计算，或使用相对复杂的实验方法进行研究。来自耶拿和雷根斯堡的团队采用了不同的方法：将光学测量与解析模型相结合，从而能够定量估计材料的局域贝里曲率。

“我们想使一种迄今难以通过实验确定的量子特性变得可获取，”论文第一作者、耶拿大学固体物理研究所的 Nele Tornow 说。“我们方法的特别之处在于，我们将光学实验与理论模型结合起来，以获得贝里曲率的具体数值。”

两束激光脉冲提供测量信号

在实验中，研究人员使用了二硒化钨，这是一种半导体，其被研究的层厚度不到一纳米。这类原子级薄的材料对光反应特别强烈，因此非常适合非线性光学实验。

研究团队将两束超短激光脉冲导向样品。第一束脉冲在极短的一瞬间改变材料的电子态。第二束用于光学检测这一变化。这会产生频率为入射光两倍的光。研究人员从它的偏振——简单来说，就是光的振荡方式——获得有关贝里曲率的信息。

该效应发生在几百飞秒之内。一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。如果团队改变第一束圆偏振激光脉冲的旋转方向，测量信号的符号也会反转。研究人员从测量数据中确定了贝里曲率，其结果与理论计算一致。

“利用这种光学方法，我们可以在极短的时间尺度上研究这类特性，”耶拿大学固体物理研究所和阿贝光子学中心的 Giancarlo Soavi 说。“这将使我们未来能够追踪材料的量子几何在极快过程中如何变化。”

也适用于其他材料

尽管该实验是用二硒化钨演示的，但研究团队表示，这一基本方法并不局限于这类材料。测量原理和模型——与雷根斯堡大学的研究人员合作开发——原则上都可以应用于其他材料。从长远来看，该方法可能有助于更详细地研究电子态的几何性质，并更好地理解它们在快速光学过程中的行为。