研究背景
根据绝热定理，缓慢演化的二能级体系停留在基态；驱动过快、穿越避免交叉时，会通过非绝热的朗道–齐纳–马约拉纳（LZM）隧穿在激发态留下占据。LZM 跃迁是强场光–物质相互作用的核心机制，至今缺乏直接观测。
石墨烯具有准相对论性的线性色散并耐强光辐照，是观测 LZM 跃迁的理想平台；但此前亚周期光电子能谱只能覆盖很小的一维动量范围，而光波驱动过程遍布整个动量空间，须在整个布里渊区内追踪载流子动力学。
成果简介
有鉴于此，德国雷根斯堡大学与马尔堡大学 Ulrich Höfer 教授、雷根斯堡大学 Rupert Huber 教授等人将亚周期能带结构视频成像拓展至石墨烯的整个第一布里渊区，首次在动量空间中直接观测到非绝热 LZM 隧穿。
研究团队以中心频率 30 THz 的强中红外脉冲驱动 SiC 上外延生长的单层石墨烯，再以光子能量 21.7 eV 的极紫外脉冲进行亚周期光电发射探测，利用飞行时间动量显微镜记录动量分布，时间分辨率优于 10 fs。
强场使狄拉克锥中的电子分布在半个光周期内发生镜像翻转，揭示出非微扰的光–物质相互作用（凯尔迪什参数 γ = 0.075）。光波驱动电流的平均相位延迟仅为 4.9 ± 0.2 fs（完全相干演化对应 8.3 fs），对应平均散射时间约 9.0 ± 0.7 fs。费米面沿电场方向的单向拉长经半导体布洛赫方程模拟证实源于 K 点附近的 LZM 隧穿；对比表明，电子–光学声子散射是限制相干光波调控的关键因素。
图注说明
图1 二维动量空间中的 LZM 跃迁。(A) 弱场下石墨烯 K 点处的吸收过程，激发沿垂直于电场的方向。(B) 强场下电子带内加速并发生带间 LZM 隧穿，分布沿电场拉长。(C) 实验方案：中红外驱动、极紫外快照，视场覆盖整个第一布里渊区。
图2 石墨烯中的光波驱动电流。(A) K 点附近不同能量的动量分布切片。(B) 能带快照：t = −70 fs 为平衡态，−13.6 fs 与 6.3 fs 时电子沿狄拉克锥加速、分布镜像反转。(C) 由占据失衡提取的电流与重构的中红外波形。
图3 二维动量空间中的亚周期电子动力学。(A) 导带分布：−43.6 fs 沿 ky 位移，3 fs 因 LZM 跃迁拉长为椭圆，26.3 fs 沿 kx 展宽，233 fs 恢复。(B) 质心与驱动场同频振荡。(C) ky 宽度呈二次谐波振荡。
图4 动量空间中的超快散射通道。(A) 模拟分布：无散射时保持椭圆，电子–电子散射后部分热化，叠加光学声子散射后趋于各向同性。(B) 电子–电子散射对相位延迟影响小，光学声子散射影响显著。(C) 宽度演化仅计入光学声子散射时与实验吻合。
总结展望
该工作将亚周期光电子能谱的动量视野扩展到整个第一布里渊区，首次在固体能带结构中直接观测到 LZM 跃迁，揭示带间隧穿与带内加速的耦合及散射的限制作用。该平台有望用于光学能带工程、相变等光场驱动研究。
文献链接
Subcycle videography of Landau–Zener–Majorana transitions in graphene（Nature, 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y）
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