粒子的質量反映了其在外力作用下的響應能力，在非相對論框架下其質量保持恒定不變。而在晶體中，電子以周期性的布洛赫波的本征形式存在，同時其波包在外場中的運動又表現出粒子屬性。激光作用下的電子與空穴的有效質量則由其攜帶的晶格動量及所在能帶的色散關系共同決定，其數值非恒定且可以覆蓋整個實數域。有趣的是，有效質量在從正值變為負值時，并非逐漸過渡，而是通過正無窮突變為負無窮，出現所謂的“有效質量奇點”。然而，在過往關于固體中電子超快動力學和高次諧波輻射的研究中，這一重要物理量往往被忽略。

高次諧波是將低能光子轉換為高能光子的非線性光學現象，對理解和控制固體內的超快過程意義重大。其有望在固體中產生極短的阿秒脈沖，從而為新型超快光源的發展提供平臺。這一諧波輻射過程對電子運動和能帶結構極為敏感，使得我們可以借此探測材料內部的電子行為并揭示材料的拓撲特性，為設計高頻、高效率的光電子器件提供理論依據。

固體高次諧波產生示意圖

近日，精密測量院激光誘導超快電子動力學研究組通過模擬激光與一維SSH鏈晶體相互作用時的高次諧波輻射現象，發現原胞內和原胞間的諧波在有效質量奇點處發生π相位跳變，導致原本正有效質量區域中的完全相長干涉轉變為負有效質量區域中的完全相消干涉。與此同時，當入射激光的偏振方向沿二維氮化硼中鏡像對稱破缺的方向時，也觀察到了類似現象，而在鏡像對稱保持的方向則未見此現象。這項研究表明，有效質量在電子空穴對復碰并輻射諧波過程中扮演著關鍵角色，尤其在考慮固體諧波的取向特性時的意義尤為突出。

該項成果是激光誘導超快電子動力學團隊在晶體強場超快動力學領域取得的重要理論進展，并以“Mass-Singularity-Induced Phase Jump in High-Harmonic Generation from Symmetry-Breaking Crystals”為題發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.）上，博士后陳家享為第一作者，研究員卞學濱為通訊作者。

該研究得到了湖北省創新群體項目、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.186901