固体材料在极端条件下的性质是重要的科学研究内容，对于施加极端的压力、温度、磁场等条件的研究起始很早，比如，美国科学家布里奇曼1900年代就在哈佛大学对固体高压实验技术做了重大改进，荷兰科学家昂尼斯在1910年左右就在莱顿大学研究固体在极低温下的电阻率行为并发现了超导效应，俄罗斯科学家卡皮查1920年代就开始在剑桥大学研究强磁场产生技术。然而，对于固态材料内部在瞬态极端强电场条件下的性质研究却起步很晚。直到最近，2011年斯坦福线性加速中心（SLAC）国家加速实验室的研究人员首次报道了在固体中产生的高次谐波实验，利用低于固态材料损伤阈值的超短强脉冲激光研究固态材料内部的极端强电场响应行为才开始受到原子分子物理、光学、凝聚态物理等科学领域研究人员的高度重视，相关研究成果如雨后春笋一样涌现出来。
高次谐波的产生是一种极端非线性光学过程，与传统的倍频、差频、四波混频等可用微扰展开进行理论描述的非线性光学过程不同，它的n阶非线性光学系数不再与电场强度的n次方成正比，物理本质上是非微扰论的。气体原子分子中的高次谐波研究始于1980年代末，如今已发展成为一个很大的领域，这是因为它可以作为一种宽波段新型光源，波段范围可覆盖深紫外到X射线，且具有相干性，与同步辐射和自由电子激光相比具有台面型的优势；此外，在时域上，它是目前产生阿秒脉冲的唯一成熟途径；另一方面，高次谐波产生过程还可以用作原子核外电子强场响应超快动力学过程的探测手段，以及对分子轨道进行三维成像等等。除了气体高次谐波，随着啁啾脉冲放大（CPA，2018诺贝尔物理学奖）技术的提出和应用，极高峰值功率脉冲强激光得到迅速发展，在1990年代初也开始了等离子体中高次谐波的研究，它利用了在强激光电场和磁场作用下，等离子体中的电子做相对论非线性运动的效应，可产生更高阶次和更高亮度的谐波辐射
最近才开始的固体中的高次谐波研究为研究凝聚态物理和新型应用带来了全新的机遇，它提供了一种全新的光学方法来研究凝聚态中晶体结构、电子结构、超快载流子动力学以及非微扰强场效应等物理性质，同时也为开发紧凑型全固态极紫外光源、拍赫兹电子学和阿秒光子学等光子学和电子学器件提供了新的可能。目前已有研究展示了利用固体高次谐波在重构固体能带结构、反演导带底的色散关系、测量对称破缺晶体中的贝里曲率等量子相位、研究强关联多体体系的相变动力学和拓扑态物理等许多方面的强大能力。
固体高次谐波作为一个新兴领域，实验研究从2011年开始，而第一性原理计算研究更是最近两三年才兴起，将含时密度泛函理论（TDDFT）应用于周期体系的非线性响应研究也处于第一性原理计算方法发展的前沿。中物院覃睿等人在前期工作中，利用密度泛函理论（DFT）研究了硅烯在应变调制下的力学和电子学性质，所发表的相关研究论文（AIP Adv. 2, 022159 (2012)）单篇它引已超过100次。
在最近的工作中，他们结合当下前沿的TDDFT技术，继续研究了硅烯在应变调制下的强场非线性光学性质，即高次谐波特性。研究发现，在一定的激光参数范围内，应变效应对高次谐波有显著的增强效应。以激光波长1600nm和功率密度2×1011W/cm2为例，在施加6%的双轴或单轴应变的情况下，高次谐波的强度相比无应变情况可增强一个量级（约30倍）。通过应变调制下的能带结构和占据数变化进行分析，他们提出了导致高次谐波增强的可能原因是，应变效应导致了更多的电子被激光激发到最低几个导带上，然后电子在导带上运动感受到非简谐势场，通过intraband机制辐射出增强的高次谐波。这个研究工作首次提出了通过力学方法调制固体电子结构的途径来增强固体高次谐波，可能会对纳米尺度紧凑型固体高次谐波的发展，以及强场下狄拉克费米子的超快动力学研究有重要意义。这也是国内第一个利用TDDFT来研究固体高次谐波的工作。
该研究成果最近被英国皇家化学学会期刊Nanoscale接收并在线预发表（”Strain-controlled high harmonic generation with Dirac fermions in silicene,” R. Qin and Z.-Y. Chen, Nanoscale, 2018, DOI: 10.1039/C8NR07572G）。
覃睿和陈自宇对此项工作有同等贡献，为论文的共同一作和共同通讯作者。本研究工作受到国家自然科学基金青年基金（11705185）和中国工程物理研究院院长基金（YZJJLX2017002）的资助。