作为典型的低维凝聚态系统，二维（2D）材料已成为探索莫尔物理、拓扑态和超导等奇特量子现象的重要平台。然而，这些量子动力学过程通常发生在极短的飞秒时间尺度，并伴随着复杂的多体相互作用与量子相干效应。传统的线性光学手段通常只能获取系统平均响应，难以全面解析量子态之间的相干相互作用及其瞬态演化过程。相比之下，超快非线性光学响应是激发态之间相干叠加的宏观表现，能够深入揭示其背后的多体物理机制。
针对这一前沿领域，同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队的黄迪教授和江涛教授系统梳理了超快非线性光学在二维材料量子探测与调控中的前沿进展。相关文章（Perspective）以“Quantum control in 2D materials via ultrafast nonlinear optics”为题，发表于Cell Press旗下的重要学术期刊《Newton》。
图1 超快非线性光学技术在探测和操纵二维材料量子态中的双重作用
文章详细阐述了超快非线性光学技术在探测和操控量子态中的双重作用。在探测方面，利用二次谐波产生（SHG）、和频产生（SFG）、四波混频（FWM）及二维相干光谱（2DCS）等超快相干非线性技术，研究人员能够直接洞察二维材料中的激子动力学、谷极化、量子相干性以及极化子相互作用等关键过程。此外，更高阶的非线性过程（如高次谐波产生，HHG）不仅高度灵敏于电子能带结构的特征，还能直接反映出材料的晶体对称性与谷选择性动力学。在主动调控方面，文章指出了通过超快光场动态操控对称性、准粒子量子相位以及能级等重要手段可以实现对二维材料中量子态的调控。例如，利用强光脉冲可瞬态打破空间反演或时间反演对称性，实现谷极化动力学的相干控制。此外，通过Floquet能带工程与光学Stark效应，可以在非平衡态下修饰电子态并诱导能级偏移，实现对二维材料光学特性的调制。
图2 二维材料中超快非线性光学的展望
文章最后进一步提出并展望了该领域未来的核心发展方向：探测莫尔超晶格中更为复杂的强关联物理、开发基于超快相干控制的低退相干量子比特与新型光计算器件，以及实现近场与远场相协同的纳米级非线性时空联合主动调控。该研究不仅加深了对超快光与物质相互作用的理解，也为量子态探测、新型量子信息器件及低维材料精密测量等应用提供了新思路与新平台。
同济大学为该论文的第一完成单位。同济大学博士生云田田为论文第一作者，同济大学江涛教授与黄迪教授为论文共同通讯作者。对本论文做出重要贡献的合作者还包括同济大学本科生陈子烨、韩国嘉泉大学Woojoo Lee教授、同济大学王占山教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2026.100402
