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超強激光科學卓越創新簡報
(第一百五十七期)
2020年12月7日
上海光機所在拓撲態貢獻的高次諧波産生研究方面取得重要進展
  中國科學院上海光學精密机械研究所強場激光物理國家重點實驗室在强激光电场与拓扑新物态相互作用新现象和新物理方面取得重要进展,实验上首次证实了拓扑表面态贡献的高次谐波辐射并揭示了其物理机制,为拓扑强场物理和强场与物质相互作用领域的研究带来了新的推动力。相关成果以“High-harmonic generation from topological surface states”为题发表在《自然 物理》(Nature Physics)。
  拓撲相變和拓撲物相的研究開啓了凝聚態物理研究的新篇章,因此被授予2016年諾貝爾物理學獎。三維拓撲絕緣體因其具有新穎的表面拓撲電子態,具有不同尋常的電荷和自旋的輸運性質,因而受到研究人員的廣泛關注。用強激光電場驅動拓撲表面態中的非線性電子動力學過程的研究尚處于初始階段。理論研究工作表明強場驅動的高次諧波的産生過程敏感地依賴拓撲非平庸相,但目前拓撲態産生高次諧波的實驗現象尚未見報道。
  在本研究中,研究人員利用自行搭建的長波長超強激光脈沖裝置輸出的激光脈沖作用于拓撲絕緣體表面,以産生的高次諧波推演強場驅動的拓撲態電子動力學過程。實驗觀測到了延伸到9級次的高次諧波産生(圖1(a)),並通過轉動拓撲絕緣體的方位角,測量了高次諧波光譜的調制(圖1(b)-(e)),結果顯示奇級次與偶級次諧波的強度和偏振具有不同的角晶體方位角依賴關系。理論分析表明平行于驅動光方向的偶次諧波來自拓撲表面態中的自旋電流,而表面態中電子的面外自旋導致了垂直方向的偶次諧波産生。由于高次諧波光譜中奇級次與偶級次諧波不同的來源,本研究提供了一種可以區分表面態與體相態電子輸運過程的新方法。強激光電場驅動的非線性動力學現象爲研究三維拓撲絕緣體中拓撲表面態與體相態之間的相互作用過程提供一種可行的有效方案,並且爲在亞周期的時間尺度內研究拓撲態的強場非線性現象和強場作用下的拓撲相變過程提供了新穎的技術手段。
  本研究的合作单位为南京大学固体微结构物理国家重点实验室,相关工作得到了国家自然科学基金、中科院先导专项(B类)、中科院科研仪器设备研制项目和上海市发改委重大项目的支持。(強場激光物理國家重點實驗室供稿)。
  原文鏈接
图1 (a) 拓扑绝缘体产生高次谐波的实验布局与光谱图。(b)-(c) 平行驱动光偏振方向的 (b) 4级次, (c) 5级次谐波强度的角度分布。(d),(e) 对应(b),(c),为垂直分量的角度分布。
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