超快激光脉冲可以将材料激发至非平衡态，驱动原子做相位锁定的协同振动，形成"相干声子"。相干声子的产生有多种微观通道，其中最为常见的是位移激发（Displacive Excitation of Coherent Phonons,DECP）——体系的激发态势能面指向新的平衡位置$Q_{eff}$，使得原子经历准静态的晶格畸变（图1）。相干声子的位移激发为调控宏观量子态提供了新的路径，如增强超导、驱动铁电相变、诱导室温磁有序等。实验上，人们利用DECP在WTe₂、MoTe₂、ZrTe₅等拓扑半金属中成功实现了对非平庸电子态的超快调控。理论上，虽然唯象模型可以定性描述DECP过程，如何在DECP的框架下实现相干声子的定向激发（图1）仍不明确。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组博士研究生王晨宇、博士后陈大强在王亚娴副研究员、孟胜研究员的指导下，利用自主开发的非绝热含时密度泛函分子动力学方法和软件（TDAP），探究了狄拉克节线半金属ZrSiS中相干声子的定向激发和超快能带重正化，在飞秒时间尺度揭示了DECP中非平衡电声耦合的作用机制。

　　研究发现，光场作用下ZrSiS中会出现两支全对称的拉曼声子$A_{1g}^1$和$A_{1g}^2$的相干位移激发，它们进一步导致模式选择的超快能带重整化，即Dirac准粒子以及布里渊区中心电子口袋的能量分别与$A_{1g}^1$和$A_{1g}^2$声子保持同步振动。进一步地，通过调节激发光波长(800 nm→514 nm)，观察到相干声子振动的相位反转，同时也实现了对晶格畸变的定向调控，诱导出了超快拓扑Lifshitz相变。随后，结合唯象模型的第一性原理计算揭示了DECP中相干声子振动的相位，即晶格畸变$Q_{eff}$的符号，是由激发态载流子分布和电子-空穴对的电声耦合强度共同决定。本研究发现的微观机制具有普适性，为量子材料性质的理性超快调控提供了有效且通用的路径。

　　相关研究成果以Directional Pumping of Coherent Phonons and Quasiparticle Renormalization in a Dirac Nodal-Line Semimetal为题，发表于Physical Review X 15,021053 (2025)。该研究受到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部重点研发计划的资助。

图1. 通过相干声子位移激发实现对晶格的定向调控