旋转的光让石墨烯变得拓扑

石墨烯的电子分布在其晶格中的两类格点上，称为A子晶格和B子晶格。静止时，每个电子在两者之间平均分配。理论预测，电场做圆周旋转的光会打破这种平衡——在上能带中朝一个方向倾斜，在下能带中朝另一个方向倾斜——而且反转旋转方向就会反转这种倾斜。一个由波尔多牵头的团队如今探测到了这种倾斜的痕迹，作者认为，这也正是长期以来为石墨烯预测的一种物态。

一个能隙，一种形状

固体中的电子只能取聚集成能带的能量；带隙是两个能带之间没有任何允许态的一段能量范围。在石墨烯中，上能带和下能带是两个尖端相接的圆锥，相接点称为狄拉克点：没有带隙，因此石墨烯是一种半金属。

2009年，Oka和Aoki预测，圆偏振光会在那里打开一个能隙。光是一种振荡的电场。在线偏振光中，电场沿一条直线来回摆动；在圆偏振光中，它做圆周旋转，朝一个方向（σ+）或另一个方向（σ−）——这就是它的螺旋度。来回摆动倒过来播放看起来一模一样；旋转则不然。因此，圆偏振光打破了物理学家所说的时间反演对称性，这使石墨烯的电子获得一种由光诱导的“质量”，从而打开能隙。在理论中，这一质量随光电场的平方增大，随光频率的立方减小。

其结果将是一种弗洛凯拓扑绝缘体——“弗洛凯”（Floquet）指的是由周期性驱动塑造的态。但作者强调，单凭一个能隙什么也证明不了：能隙的打开可以有许多与拓扑无关的原因。真正属于拓扑的是电子波的几何。电子在A和B之间分配的方式称为它的赝自旋。赝自旋随电子动量而变化，而在圆偏振光照射下，这种分布模式伴随着一个称为贝里曲率的量。把它对所有动量求和，就得到陈数，在理论中它等于1。

左：静止时石墨烯的两个能量圆锥尖端相接，电子在A和B子晶格之间平均分配。中：在圆偏振红外光（IR）照射下，能隙打开，每个能带偏向不同的子晶格（箭头和小球），并出现贝里曲率（红色和蓝色）。右：实验装置，红外泵浦光和极紫外探测光（XUV）在显微镜下照射石墨烯。——图1a、c，Fragkos等（2026），arXiv:2610.39695。

石墨烯为何久攻不下

在石墨烯中，电子彼此散射以及与晶格振动散射的速度异常之快，让人怀疑由光塑造的态能否存活。电学和光学测量曾探测到光诱导的“反常霍尔”响应，理论将其与贝里曲率联系起来，但这些测量是对所有能量和动量取平均的：它们无法区分拓扑与被光不均匀激发的电子。2025年和2026年对被光重塑的石墨烯能带成像的实验用的是线偏振光，而线偏振光无法打开这种能隙。

两道闪光同时到来

波尔多大学、法国国家科学研究中心和法国原子能委员会联合实验室CELIA的Sotirios Fragkos、Samuel Beaulieu及其同事，与理论学家Ann Chantal Goutier和Michael Schüler（瑞士菲林根的保罗谢尔研究所和弗里堡大学）以及哥廷根、奥胡斯和马尔堡的团队合作，使用了时间与角度分辨光电子能谱。一个红外泵浦脉冲在室温下驱动生长在碳化硅（SiC）上的石墨烯。它持续135飞秒（1飞秒为千万亿分之一秒），携带能量为1.2电子伏特的光子（这是每个光粒子的能量）。它的通量，即单位面积上传递的能量，为3.5毫焦每平方厘米（mJ/cm²），相当于约4000千伏每厘米的电场。与此同时，一道21.6电子伏特的极紫外闪光把电子打出，一台动量显微镜记录下它们的能量和方向：这就是一张能带图。

探测光的偏振不断循环切换；它两种圆偏振状态下信号之差就是圆二色性。在圆偏振泵浦下，其中由光诱导的主要部分与A/B失衡成正比：它读出的是电子偏向哪个子晶格。

随光而变的符号

线偏振泵浦下，二色性与未泵浦的石墨烯一样。圆偏振泵浦则在狄拉克点附近增加了一个特征：对σ+为负，对σ−为正。

测得的圆二色性（红色为正，蓝色为负）随能量（纵轴）和动量（横轴）的变化，红外泵浦光分别为线偏振（a）、朝一个方向的圆偏振（b，σ+）或朝另一个方向的圆偏振（c，σ−）。只有圆偏振泵浦会在狄拉克点附近增加一个特征（箭头），σ+时为蓝色，σ−时为红色。——图2a–c，Fragkos等（2026），arXiv:2610.39695。

把一张图减去另一张，就去掉了一切与泵浦旋转方向无关的东西。剩下的部分，即双螺旋度二色性，在狄拉克能量（狄拉克点的能量）之上为正，之下为负，这正是两个能带中赝自旋相反时所预期的。包含衬底在内的第一性原理计算重现了这些图以及符号的变化。

双螺旋度二色性，即两种圆偏振泵浦之差：测量结果（上）和计算结果（下）。图（a、d）和剖面曲线（b、c、e、f）显示，狄拉克能量之上为红色正信号，之下为蓝色负信号。——图3，Fragkos等（2026），arXiv:2610.39695。

在1.6 mJ/cm²的较低通量下，σ+和σ−的图在狄拉克点附近看起来相同：由于质量随电场的平方增长，较弱的驱动会使效应低于探测阈值。

比能隙更持久的倾斜

能隙本身并没有被观测到。狄拉克点处的一个凹陷看起来像能隙，但它在一种探测偏振下比在另一种下强得多。作者把它主要归因于光电发射矩阵元——即探测光从每个能带中拉出电子的效率——同时也无法排除存在一个低于其分辨率的小能隙。在他们的计算中，在实验的场强下，能隙始终小于十分之一电子伏特。

在远离狄拉克点的地方，贝里曲率按1/k³衰减（k为动量空间中到该点的距离），而赝自旋只按1/k衰减。它沿能带延伸得更远，因此在散射抹去小能隙的地方，二色性仍能留存。

模拟排除了其他可能的原因。面内强度相同的线偏振光几乎不留下任何双二色性，因此光以65°斜角入射这一点本身无法产生它。一个240毫电子伏特的普通衬底能隙会在信号中留下一大片空白区域，而数据中并没有。一个只保留光诱导拓扑项的模型，在狄拉克点附近与完整模拟的相关系数达到0.985。

只持续一个脉冲的拓扑

这些测量只覆盖了两个脉冲重叠的那一刻；之后发生了什么并没有展示。陈数来自理论，而矩阵元模型是根据这些测量数据本身调整的。由于泵浦光的螺旋度决定了质量和贝里曲率的符号，作者看到了一条在飞秒时间尺度上写入、切换和擦除拓扑态的途径。目前，光的旋转方向决定了一件被测量到的事：石墨烯狄拉克点附近的一个信号是负还是正。