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與南京大學固體微結構物理國家重點實驗室合作，在強雷射電場與拓撲新物態相互作用新現象和新物理方面取得重要進展，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。相關成果近日發表於《自然—物理》。
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。
在該研究中，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，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，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，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一種可行的有效方案，並且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新穎的技術手段。（來源：中國科學報 黃辛）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-020-01052-8
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