《SCIENCE ADVANCES》：Isostructural electronic transition in MoS2 probed by solid-state high-harmonic generation spectroscopy
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研究人员为克服极端压力条件下动量分辨电子结构测量的瓶颈，在金刚石压砧内首次实验实现了固体高次谐波生成技术，以二硫化钼为模型，通过其光谱与偏振各向异性随压力的演化，揭示了压力诱导的直接带隙最小值在布里渊区内K点到Γ点的电子结构交叉，建立了一种探测高压下电子相变的光学新方法。
材料科学的前沿探索常常在极端条件下进行，压力就是一把神奇的“钥匙”，它能压缩原子间距，改变材料的电子结构，从而诱发出在常压下无法观察到的全新物态，如奇特超导体、拓扑量子材料等。金刚石压砧是产生极端高压的利器，但一个长期的困境随之而来：在高压密闭的微小腔室内，我们难以“看清”材料的电子结构，尤其是其动量空间的“地形图”——能带结构。像角分辨光电子能谱这样的强大工具，其发射的电子无法穿透金刚石窗。这使得高压下的电子结构测量成为一个“黑箱”，极大地限制了新材料的发现与机理研究。为了打开这个“黑箱”，科学家们将目光投向了固体高次谐波生成技术。这是一种全光学、非接触式的探测手段，利用强场激光在材料中产生高频率的相干辐射，其信号对材料的能带间隙、色散、对称性等信息极为敏感，且无需电子逸出材料。那么，这项技术能否成功应用于高压环境，并灵敏地捕捉到高压下的电子相变呢？发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究给出了肯定的答案。
本研究主要运用了三大关键技术：1. 金刚石压砧高压技术与样品制备：通过机械剥离获得厚度约为18纳米的块体二硫化钼薄片，将其与红宝石压力计一同装入氦气传压介质的金刚石压砧样品腔中，加压至最高30 GPa。利用红宝石荧光光谱进行原位压力标定。2. 固体高次谐波生成光谱与各向异性测量：使用波长为3200纳米、脉冲宽度约100飞秒的强场中红外激光脉冲作为驱动场，聚焦到样品上。收集产生的紫外-可见波段的高次谐波光谱，并通过旋转驱动激光的偏振方向，测量不同谐波（如第7、9、11、13阶）的偏振各向异性随压力的变化。3. 第一性原理计算与高次谐波响应模拟：采用密度泛函理论计算不同压力下二硫化钼的电子能带结构，并基于含时密度矩阵方程，模拟了在强场驱动下材料的载流子动力学与高次谐波电流，以解释实验观测。
结果：
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高压下sHHG的首次实现与特征观测：
研究首次在金刚石压砧内成功观测到二硫化钼的sHHG信号，产生了直至第13阶的奇数次谐波，并排除了金刚石背景信号的干扰。实验证实了sHHG在高压环境下作为电子结构探测的可行性。
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谐波强度与各向异性的压力依赖性：
随着压力升高，所有观测谐波的总强度在约14.5 GPa处出现一个尖锐的最小值。更为显著的是，谐波的偏振各向异性图案发生了剧烈变化。例如，第7阶谐波的各向异性在30 GPa时相对于常压发生了30°的旋转，且六重对称性被破坏。这些变化发生在已知的二硫化钼结构相变压力范围之外，暗示了纯粹的电子结构重组。
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理论揭示的能带结构演化与电子相变：
密度泛函理论计算表明，随着压力增加，二硫化钼在布里渊区Γ点的直接带隙减小，而在K点的直接带隙反而增大。在约15 GPa时，最小的直接带隙从K点交叉到Γ点。这一“同结构电子相变”意味着材料的最低能量电子激发位置在动量空间发生了转移，尽管晶体结构本身未变。
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sHHG响应的微观机制与模拟验证：
通过第一性原理模拟sHHG过程发现，在常压下，由于K点带隙最小，载流子激发和sHHG电流主要源于K点区域。在15 GPa附近，Γ点和K点的直接带隙变得相近，两者对载流子激发的贡献相当，但它们产生的非线性电流相位相反，发生相消干涉，导致了实验中观测到的谐波强度最小值及各向异性扭曲。压力继续升高至20 GPa以上，由于导带重整化，K点重新成为主导，sHHG强度恢复并增强，各向异性也部分回归。理论模拟的各向异性变化趋势与实验结果高度吻合。
结论与讨论：
本研究成功地将固态高次谐波生成光谱学与金刚石压砧高压技术相结合，在技术上实现了一项重要突破，首次在极端压力下对材料电子结构进行了全光学、动量敏感的探测。以二硫化钼为模型体系，研究揭示了一个先前未被观测到的“同结构电子相变”：在约15 GPa时，其最低直接带隙从布里渊区的K点交叉到Γ点。这一电子结构重组通过sHHG谐波强度的极小值及各向异性的30°旋转等光学特征清晰地反映出来，并被第一性原理计算和动力学模拟所证实。这项工作的重要意义在于，它建立了一种探测高压下电子相变的全新光学“窗口”，克服了传统电子谱学技术在高压环境中的应用障碍。sHHG对能带结构的细微变化具有极高的灵敏度，即使在没有结构相变的情况下，也能捕捉到电子态的演化。这为在极端压力下探索量子材料（如拓扑态、非常规超导等）的电子性质提供了前所未有的强大工具，开辟了高压物理和材料科学研究的崭新前沿。
