光与自由电子相互作用是连接强场光学、非厄米物理、拓扑物态和集成光子学的重要研究方向。如何借助人工设计的光场、能带结构与片上光子器件，对电子波包的放大、稳定、局域及能量交换进行精确调控，是该领域的关键问题，也关系到相干短波辐射、自由电子量子态操控和紧凑型片上加速器等前沿方向。近期，上海科技大学物质科学与技术学院潘义明教授课题组围绕非厄米动量带隙、自由电子拓扑态与片上激光加速开展理论研究，取得多项进展。相关成果发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《自然-通讯》（Nature Communications）。
一、动量带隙工程放大固体高次谐波
固体高次谐波源结构紧凑、易于集成，是阿秒科学和相干短波光源的重要平台，但其辐射强度与转换效率仍受载流子数目、能带结构和相干时间限制。如何利用能带工程增强电子响应，是这一方向的重要问题。
潘义明课题组从理论上提出利用非厄米动量带隙（k-gap）增强固体带内高次谐波的新机制。电子波包在激光驱动下反复穿越k-gap时，可沿增长通道获得放大，并进一步增强带内高次谐波辐射。团队设计了增益与损耗位点交替排列的一维双原子晶格，并提出四能级循环方案。数值计算显示，交流激光驱动下，波包粒子数整体增长，同时保留清晰的多阶谐波结构。该工作将动量空间能带工程引入固体强场光学，为调控相干短波辐射提供了新框架。
图1 增益—损耗平衡晶格与动量带隙放大动力学示意（来源：论文）
该工作发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）。上海科技大学物质学院潘义明教授与课题组博士研究生陈丹妮为共同第一作者，潘义明教授为通讯作者。
论文标题：Amplifying Solid-State High-Harmonic Generation Through Momentum-Bandgap Engineering
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71600
二、自平衡布洛赫振荡
布洛赫振荡是电子波包在周期势和恒定外力下的往复运动。在传统实能带中，波包穿越带隙时主要发生Landau-Zener隧穿；在非厄米动量带隙（k-gap）中，两支能带的本征能量虚部则分别对应增长和衰减。此前研究多聚焦持续放大，衰减通道能否被激活并形成稳定运动尚不清楚。
针对这一问题，团队建立增益—损耗交替的一维双能带模型，研究线性势驱动下波包对k-gap的周期性穿越。一般驱动力下，波包进入k-gap后主要投影到增长通道，形成持续放大的布洛赫振荡；在特定临界驱动力下，实能带内积累的相位会改变两个波包分量的叠加关系，使其在相邻穿越中依次进入增长与衰减通道。两种过程在2T周期内相互补偿，形成总强度长期有界、振荡周期加倍的“自平衡布洛赫振荡”。进一步的Wannier–Stark梯级谱分析表明，自平衡出现在一系列谱虚部归零的离散驱动力节点，节点序号与1/F近似呈线性关系，与相位积累图像一致。该机制把动量带隙由单向放大工具扩展为稳定非平衡波动力学的平台，有望在非厄米光子晶格或电路等平台开展实验验证。
图2 放大型与自平衡布洛赫振荡对比（来源：论文）
该工作发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。上海科技大学物质学院潘义明课题组博士研究生陈丹妮为第一作者。南京师范大学物理科学与技术学院王怀强教授与上海科技大学物质学院潘义明教授为共同通讯作者。
论文标题：Demonstration of Self-Balance Mechanism with Bloch Oscillations in Momentum Bandgap Engineering
论文链接：https://doi.org/10.1103/snm3-mb3y
三、扭曲光场构造自由电子拓扑束缚态
分数化拓扑束缚态通常依赖材料能带或人工晶格。要把Jackiw–Rebbi机制拓展到真空中的自由电子，关键是绕开材料拓扑能带，通过外部光场构造空间变号的有效质量项。本研究提出利用时空扭曲光束，为低能自由电子构造可移动的有效狄拉克质量畴壁。在光子诱导边带构成的二分量模型中，光—电子耦合对应可调质量项；相位扭结使质量项在畴壁两侧改变符号，支持Jackiw–Rebbi型零模。解析推导与含时数值模拟表明，该束缚态携带e/2的拓扑荷，局域轮廓可随光学畴壁移动。对于一般高斯波包，只有投影到零模的部分保持局域；这种束缚依赖扭曲光场持续作用，光场关闭后波包会重新扩散。这为自由电子波函数工程和量子模拟提供了新路径。
图3 自由电子有效狄拉克结构与光学质量畴壁（来源：论文）
该工作发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。上海科技大学物质学院潘义明教授为第一作者和共同通讯作者，特拉维夫大学电气工程学院张斌为共同通讯作者。
论文标题：Free electron topological bound state induced by a light beam with a twisted wavefront
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76021-5
四、光子回收型介质激光加速器
电介质激光加速器（DLA）利用微纳局域光场加速电子，具有高梯度和易于片上集成等优势。但传统波导型DLA多采用“一过式”单程作用，剩余光子难以再次利用，对输入功率提出较高要求。研究基于绝缘体上硅平台提出光子回收型DLA：将1550 nm激光注入渐变波导，再由弯曲波导回收剩余光场，使其与新光场合束后返回加速区，重复参与电子加速。以自适应逆向设计优化渐变波导，使电子与光场维持长程相位匹配。数值结果表明，理想回路下约17.2 mW输入可维持约100 mW环内功率；不计传播损耗时，高梯度模式可在14 mm内带来超过170 keV的能量增益，高效率模式的光子利用效率可接近99.8%。该方案为提升片上DLA的光子利用率提供了理论路径。
图4 光子回收型介质激光加速器方案及回收性能（来源：论文）
该工作在线发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews），上海科技大学为第一完成单位。刘晓平课题组博士研究生李昌颖为第一作者，刘晓平教授、潘义明教授以及特拉维夫大学量子纳米光谱实验室博士后郑丁国三人为共同通讯作者。
论文标题：Photon-recycling dielectric laser accelerator
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71754
四项工作从非厄米能带工程、自由电子拓扑模拟和集成光子器件三个层面，拓展了光场调控电子与波动过程的理论工具。
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