物理学院刘开辉团队提出固体高次谐波相位匹配新理论
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近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王恩哥院士、凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授和洪浩副研究员与合作者在固体高次谐波研究领域取得重要进展。研究团队首次提出通过范德华晶体的层间转角引入非线性几何相位，实现了固体高次谐波的相位匹配。2025年10月15日，该研究成果以《转角范德华晶体中的高次谐波相位匹配》（“Phase matching of high harmonic generation in twisted van der Waals crystals”）为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，并获选编辑推荐论文（Editors’Suggestion）。
晶体高次谐波产生（HHG）是当前强场凝聚态物理与激光技术的前沿方向，有望推动紧凑、可调且功能丰富的全固态阿秒与极紫外光源的发展。相较于传统气体介质，固体材料具有更高的电子密度，其带内电流与带间极化协同作用参与高次谐波过程，理论上可实现更强的高次谐波输出。然而，固体中的色散效应导致高次谐波过程出现严重入射激光与谐波激光的相位失配，传统的双折射相位匹配与准相位匹配理论在此场景下均无法适用，因此当前固体体系的高次谐波转换效率仍远低于气体体系。
针对上述难题，研究团队提出利用转角范德华晶体实现高次谐波相位匹配的创新方法。根据晶体的对称性和高次谐波阶数，通过精确设计晶体厚度与转角参数，可以引入高阶非线性贝里几何相位，从而有效补偿相位失配，实现高效谐波输出。基于该理论，团队选用六方氮化硼（h-BN）进行转角堆叠，在厚度仅为1μm的转角堆叠样品中成功获得转换效率达4×10−5的五阶高次谐波，实现固体深紫外波段转换效率的最高值。该研究成果对发展全固态阿秒和极紫外激光光源具有重要的推动作用。
转角相位匹配实现高效高次谐波产生。a、b：转角高次谐波相位匹配原理示意图；c：高次谐波强度在不同层数下与激发光椭偏度的依赖关系；d：高次谐波强度与材料层数成平方关系，表明实现了固体高次谐波相位匹配；e：激发光强度依赖的高次谐波转换效率
北京大学物理学院2022级博士研究生马辰俊、2025届博士毕业生黄琛、2021级博士研究生尤一龙为论文共同第一作者，刘开辉、洪浩、王恩哥、马超杰为论文共同通讯作者。该研究成果得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委以及新基石科学基金等项目支持。
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