上海光機所等在拓撲態貢獻的高次諧波產生研究中取得進展

2020-12-14 中國科學院

上海光機所等在拓撲態貢獻的高次諧波產生研究中取得進展

2020-12-10 上海光學精密機械研究所

【字體：大 中 小】

語音播報

　　中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理研究中取得進展，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射，並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。相關研究成果以High-harmonic generation from topological surface states為題，發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。

　　拓撲相變和拓撲物相的研究開啟了凝聚態物理研究的新篇章，在2016年，被授予諾貝爾物理學獎。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，受到學界的廣泛關注。用強雷射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於初始階段。理論研究工作表明，強場驅動的高次諧波的產生過程敏感地依賴拓撲非平庸相，但目前，拓撲態產生高次諧波的實驗現象尚未見報導。

　　該研究中，研究人員利用自行搭建的長波長超強雷射脈衝裝置輸出的雷射脈衝作用於拓撲絕緣體表面，以產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級次的高次諧波產生（圖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製（圖b-e），結果表明，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係。理論分析表明，平行於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產生。由於高次諧波光譜中奇級次與偶級次諧波的不同來源，該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。強雷射電場驅動的非線性動力學現象為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了方案，為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技術手段。

　　南京大學固體微結構物理國家重點實驗室為該研究的合作單位。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院科研儀器設備研製項目和上海市發改委重大項目的支持。

　　（a）拓撲絕緣體產生高次諧波的實驗布局與光譜圖。（b）-（c）平行驅動光偏振方向的（b）4級次，（c）5級次諧波強度的角度分布。（d）、（e）對應（b）、（c）,為垂直分量的角度分布


　　中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理研究中取得進展，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射，並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。相關研究成果以High-harmonic generation from topological surface states為題，發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
　　拓撲相變和拓撲物相的研究開啟了凝聚態物理研究的新篇章，在2016年，被授予諾貝爾物理學獎。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，受到學界的廣泛關注。用強雷射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於初始階段。理論研究工作表明，強場驅動的高次諧波的產生過程敏感地依賴拓撲非平庸相，但目前，拓撲態產生高次諧波的實驗現象尚未見報導。
　　該研究中，研究人員利用自行搭建的長波長超強雷射脈衝裝置輸出的雷射脈衝作用於拓撲絕緣體表面，以產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級次的高次諧波產生（圖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製（圖b-e），結果表明，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係。理論分析表明，平行於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產生。由於高次諧波光譜中奇級次與偶級次諧波的不同來源，該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。強雷射電場驅動的非線性動力學現象為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了方案，為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技術手段。
　　南京大學固體微結構物理國家重點實驗室為該研究的合作單位。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院科研儀器設備研製項目和上海市發改委重大項目的支持。
　　論文連結
　　（a）拓撲絕緣體產生高次諧波的實驗布局與光譜圖。（b）-（c）平行驅動光偏振方向的（b）4級次，（c）5級次諧波強度的角度分布。（d）、（e）對應（b）、（c）,為垂直分量的角度分布
　　

列印 責任編輯：張芳丹

相關焦點

  • 科學家首次證實拓撲表面態貢獻高次諧波輻射—新聞—科學網
    ，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。 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。用強雷射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於初始階段。理論研究工作表明強場驅動的高次諧波的產生過程敏感地依賴拓撲非平庸相，但目前拓撲態產生高次諧波的實驗現象尚未見報導。
  • 科學家首次證實拓撲表面態貢獻高次諧波輻射—論文—科學網
    ，實驗上首次證實了拓撲表面態貢獻的高次諧波輻射並揭示了其物理機制，為拓撲強場物理和強場與物質相互作用領域的研究帶來了新的推動力。 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。用強雷射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於初始階段。理論研究工作表明強場驅動的高次諧波的產生過程敏感地依賴拓撲非平庸相，但目前拓撲態產生高次諧波的實驗現象尚未見報導。
  • 上海光機所非線性光學頻率轉換技術研究取得重要進展
    近期，上海光機所高功率雷射物理聯合實驗室朱健強研究員、劉德安研究員研究團隊在非線性光學頻率轉換相關技術方面取得重要研究進展。提出並實驗驗證了新一類相位匹配方法——電壓調諧相位匹配。相關研究成果發表在2017年1月27日出版的Physical Review Letters上［Phys． Rev．
  • 上海光機所在鈉雷射導引星研究方面取得新進展
    上海光機所在鈉雷射導引星研究方面取得新進展 2016-04-08 上海光學精密機械研究所 【 　　近期，中國科學院上海光學精密機械研究所在鈉雷射導引星研究方面取得新進展
  • 物理所高次諧波光譜中的全量子軌道映射研究獲進展
    中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）光物理重點實驗室魏志義研究員領導的研究組近年一直致力於阿秒雷射高次諧波產生的研究，他們不僅觀察到了高次諧波光譜中的複雜結構【Opt. Express 19, 17408 (2011)】，並且首次在國內測量到了單個阿秒雷射脈衝 【Chin. Phys. Lett.
  • 上海光機所發現相對論渦旋光反射偏離經典光學反射定律
    上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室沈百飛研究小組利用三維數值模擬清晰表明，相對論渦旋雷射在等離子體靶面反射時，反射光偏離入射平面。由於渦旋雷射具有角動量，因此其在靶面的反射有點類似高速側旋的桌球在撞擊拍面後的反射過程。　　這一效應可以從電磁理論上得到完美的詮釋。
  • 上海技物所在拓撲量子體系長波室溫新機理THz探測研究方面取得進展
    上海技物所在拓撲量子體系長波室溫新機理THz探測研究方面取得進展 2020-09-16 上海技術物理研究所 　　研究人員將具有原子薄層結構的拓撲半金屬PdTe2有效集成到天線耦合結構中，PdTe2具有原子堆疊的拓撲對稱性，加上其強自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐，使得該材料具有各項異性半閉合的費米面以及大的THz吸收係數（圖1b）。
  • 上海光機所薄膜損傷機制研究取得新進展
    上海光機所中科院強雷射材料重點實驗室藉助飛秒雷射微加工平臺在石英基底上製作了特定大小的坑點缺陷（長度：~7um，寬度：~3um，深度：~1um　　上海光機所中科院強雷射材料重點實驗室對基底表面缺陷誘導薄膜元件雷射損傷機制的認識，突破了傳統的僅關注薄膜自身性能的視角，為進一步提升薄膜元件的抗雷射損傷能力提出了新的方向。
  • 物理所拓撲絕緣體材料生長調控和輸運性質研究獲系列進展
    最近三年來，三維拓撲絕緣體的研究在世界範圍內取得了飛速進展，並成為凝聚態物理研究中的一個爆發性熱點領域。拓撲絕緣體是一類具有非平庸的拓撲對稱性(Z2)的材料，其內部絕緣，但在表面上存在著一種無能隙的、線性色散並且自旋與動量鎖定的特殊電子態。這種新的量子物質態被預言可以產生出許多新奇的準粒子和物理效應，如磁單極、Majorana費米子和量子化的反常霍爾效應等。
  • 南開大學在拓撲光子學領域取得重要進展
    南開新聞網訊（通訊員 宋道紅）日前，南開大學陳志剛教授、許京軍教授課題組與克羅埃西亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授課題組的合作研究在拓撲光子學領域取得重要研究進展，首次實驗觀測並理論證明了贗自旋渦旋拓撲荷的轉換與狄拉克點拓撲特性相關，揭示了動量與實空間拓撲轉換的普適規律。
  • 2019年度中國光學十大進展揭曉—新聞—科學網
    中國光學十大進展由中國雷射雜誌社發起，評選委員會由48位光學與光子學領域的專家組成，綜合考慮候選成果的學術價值和應用價值，經過首輪推薦、初評、終評三個環節，最終20項光學成果從110項研究進展中脫穎而出。
  • 南開大學在非線性拓撲光子學領域取得重要進展
    南開新聞網訊（通訊員 宋道紅 夏煥雲）近日，南開大學陳志剛教授、許京軍教授領導的課題組與克羅埃西亞Zagreb大學Hrvoje Buljan教授的課題組合作研究，在非線性拓撲光子學領域取得了重要進展拓撲是為了理解量子霍爾效應等基本物理現象而引入的數學概念，成功地解釋了量子霍爾效應，並促進了拓撲絕緣體的發展。當兩種具有不同拓撲不變量的結構拼接在一起時，由於體-邊界的對應原理，會在兩種結構的交界面產生具有魯棒特性單向傳輸的界面態。由於拓撲概念可用來描述能帶結構的性質，這種體-邊界對應關係普遍存在於量子和經典波動系統周期結構中。
  • 進展|Z2非平庸節線半金屬和高階拓撲絕緣體研究取得重要進展
    拓撲材料的發現對新的拓撲態和新奇物性的研究具有重要的意義。高階拓撲絕緣體(higher-order topological insulators) 在這次搜索中也無處遁形。人們定義: 一階拓撲絕緣體具有絕緣的d維體態，但有(d-1)維拓撲保護的金屬表面態; 二階拓撲絕緣體具有絕緣的d維體態和（d-1）維表面態，但有（d-2）維拓撲保護的金屬稜態；以此類推。所以常規的三維拓撲絕緣體，又可以被稱為三維的一階拓撲絕緣體。
  • 上海微系統所等在Nodal-line材料電子結構研究中取得進展
    拓撲半金屬將新奇拓撲電子量子態從拓撲絕緣體擴展到金屬性材料。這類材料中的一些導帶和價帶交叉點受到空間、時間或者某些晶體對稱性的保護，使得特定對稱性的微擾不能使其打開能隙。　　劉中灝為該工作第一作者，上海微系統所為該工作第一單位。該工作獲得基金委國家重大儀器專項（項目批准號：11227902）、面上項目、青年項目、科技部國家重點研發計劃、上海市揚帆計劃等的支持。
  • 界面超導體系與拓撲半金屬體系的表面電子-聲子相互作用研究獲進展
    該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。　　近年來，利用此2D-HREELS系統，SF06組在界面超導體系FeSe/SrTiO3的晶格動力學和電子-聲子相互作用機理的研究方面取得多項進展。
  • 物理所等發現多拓撲態寬溫區磁性斯格明子
    由於它具有拓撲保護性、低驅動電流密度（比驅動傳統疇壁低5～6個數量級），以及磁場、溫度和電場等多物理作用調控的特性，磁性斯格明子被認為是未來高密度、高速度、低能耗信息存儲器件的核心材料。然而，目前大部分磁性斯格明子材料體系居裡溫度偏低和穩定存在溫區窄，成為材料實際應用的瓶頸。開發寬溫區跨室溫磁性斯格明子新材料是目前磁電子學領域的研究熱點，也是推進磁性斯格明子實用化的關鍵。
  • 西安光機所前沿光子學理論研究取得系列進展
    在量子多體物理和凝聚態物理領域，如物質的第五態玻色-愛因斯坦凝聚態（前四種物質為固體、液體、氣體和等離子體）也存在類似的調控方法，謂之量子調控——其中實驗科學家最廣為採用的兩種方法是光晶格（線性調控）和費希巴赫共振（非線性調控）。
  • 德國馬普學會量子光學研究所所長訪問上海光機所
    6月13日，國際著名強場超快雷射物理學家、德國馬普學會量子光學研究所所長Ferenc Krausz教授訪問中國科學院上海光學精密機械研究所，並應邀擔任上海光機所第九期「清河之光雷射科學領域的最新研究進展使得科研人員已經可以觀測和控制這些過去難以觸及的微觀動力學。 　　Ferenc Krausz教授長期從事雷射與物質的非線性相互作用，從紅外到X射線光譜範圍內的超短光脈衝產生以及超快微觀過程研究。
  • 新型二維原子晶體硒化銅的製備及其拓撲物性研究獲進展
    因此，相比於二維過渡金屬二硫化物，二維過渡金屬單硫化物的製備比較困難，關於其物性研究也鮮有報導。去年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員、中科院院士高鴻鈞領導的研究團隊在二維過渡金屬單硫化物的製備方面取得進展。
  • 進展|磁性二維晶體中拓撲磁性斯格明子的發現
    磁性斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一種具有手性自旋的納米磁疇結構，它具有拓撲保護性、低驅動電流密度，以及磁、電場和溫度等多物理調控的特性，是未來高密度、高速度、低能耗信息存儲器件的核心理想存儲單元。