作者：张子博（大连东软信息学院微电子工程系）

一、研究背景

扭转双层石墨烯（Twisted Bilayer Graphene, TBG）因其莫尔超晶格结构及魔角平带所带来的强关联行为，已成为近年二维凝聚态物理的重要研究前沿。现有研究多集中于平面 TBG 的静态电子结构，而将其卷曲为纳米管结构（TBG Nanotube, TBG-NT）后，系统转化为具有轴向周期边界条件的准一维拓扑体系，在能带量子化与拓扑相位方面呈现新的物理特征。

本工作提出并系统研究了 TBG-NT 在飞秒级非周期光脉冲激发下的动态能带行为，发现其能带发生整体平移但拓扑不变量保持不变，提出了全新的“拓扑保持动力学（Topology-Preserving Dynamics）”机制。

二、研究内容与方法

1. 模型构建与几何映射

本研究基于 Bistritzer–MacDonald（BM）连续模型，并结合卷曲矢量Ch=na₁+ma₂，将二维莫尔超晶格严格映射为准一维纳米管体系。卷曲后体系的周向动量离散化，而轴向方向保留原有的莫尔周期性。

该几何变换为后续的动态模拟提供了严格的拓扑与能带基础。

三、主要结果

1. 静态电子结构及拓扑特征

通过在轴向周期边界条件下求解一维化 BM 模型，得到了 TBG-NT 的准一维能带结构。结果显示：

• 在费米能级附近存在约 15 meV 的窄平带

• DOS 在平带附近出现明显的范霍夫奇点

• Zak 相位约为Z≈π，呈现非平庸拓扑特征

这些特征构成了后续动力学调控的拓扑基础。

2. 拓扑保持动力学的发现

在施加飞秒级高斯脉冲

并满足时间尺度分层

（本研究使用V₀=50meV,τ_p=200fs）时，体系表现出以下关键现象：

（1）能带整体平移（Rigid Band Shift）

• 能带随脉冲包络发生同步位移

• 带隙大小几乎不变

• Berry 曲率峰值仅作整体移动，不发生重构

（2）拓扑不变量保持

• Zak 相位几乎严格保持π（偏差 

• Berry 曲率积分在整个演化过程中守恒

这一结果说明体系在飞秒脉冲下表现出极高的拓扑稳定性，突破了传统 Floquet 动力学“重构能带”的方式。

3. 参数普适性与几何鲁棒性

系统扫描不同手性（armchair、zigzag）、半径、脉冲参数后发现：

• 能带平移幅度随结构变化差异

• 拓扑保持行为具有普适性

• 存在明确的准静态窗口：τ_p≥150 fs

四、实验可行性与潜在应用

1. 可通过 OPTP 技术直接验证

研究提出了可行的光泵–太赫兹探测（OPTP）实验：

• THz 探针测量瞬态导电率σ_xx (t)

• 预期信号强度 10^-4-10^-3S，已在实验可测范围

该方案为将理论预测落地提供了明确路径。

2. 潜在应用方向

• 飞秒级超快电子开关（能带位置随脉冲实现调控）

• 可编程拓扑量子器件

• 类脑计算的瞬态权重调控单元

• 超快光电子组件

五、结论

本研究提出并验证了TBG 纳米管在飞秒非周期脉冲作用下的拓扑保持动力学，揭示了能带整体平移但拓扑不变的全新动态调控机制，为未来的超快拓扑电子学提供了完全不同于 Floquet 控制的新路径。

该成果为新型飞秒拓扑开关、可编程量子器件及超快光电子系统奠定了理论基础，具有重要的前沿意义和实际应用潜力。