我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在拓?fù)鋺B(tài)貢獻(xiàn)的高次諧波產(chǎn)生研究中取得進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在強(qiáng)激光電場(chǎng)與拓?fù)湫挛飸B(tài)相互作用新現(xiàn)象和新物理研究中取得進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)上首次證實(shí)了拓?fù)浔砻鎽B(tài)貢獻(xiàn)的高次諧波輻射，并揭示了其物理機(jī)制，為拓?fù)鋸?qiáng)場(chǎng)物理和強(qiáng)場(chǎng)與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的研究帶來(lái)了新的推動(dòng)力。相關(guān)研究成果以High-harmonic generation from topological surface states為題，發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。

拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湮锵嗟难芯块_啟了凝聚態(tài)物理研究的新篇章，在2016年，被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。三維拓?fù)浣^緣體因其具有新穎的表面拓?fù)潆娮討B(tài)，具有不同尋常的電荷和自旋的輸運(yùn)性質(zhì)，受到研學(xué)界的廣泛關(guān)注。用強(qiáng)激光電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浔砻鎽B(tài)中的非線性電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究，尚處于初始階段。理論研究工作表明強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的高次諧波的產(chǎn)生過(guò)程敏感地依賴拓?fù)浞瞧接瓜�，但目前，拓�(fù)鋺B(tài)產(chǎn)生高次諧波的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尚未見報(bào)道。

該研究中，研究人員利用自行搭建的長(zhǎng)波長(zhǎng)超強(qiáng)激光脈沖裝置輸出的激光脈沖作用于拓?fù)浣^緣體表面，以產(chǎn)生的高次諧波推演強(qiáng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)鋺B(tài)電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了延伸到9級(jí)次的高次諧波產(chǎn)生（圖a），并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)拓?fù)浣^緣體的方位角，測(cè)量了高次諧波光譜的調(diào)制（圖b-e），結(jié)果表明，奇級(jí)次與偶級(jí)次諧波的強(qiáng)度和偏振具有不同的角晶體方位角依賴關(guān)系。理論分析表明，平行于驅(qū)動(dòng)光方向的偶次諧波來(lái)自拓?fù)浔砻鎽B(tài)中的自旋電流，而表面態(tài)中電子的面外自旋導(dǎo)致了垂直方向的偶次諧波產(chǎn)生。由于高次諧波光譜中奇級(jí)次與偶級(jí)次諧波的不同來(lái)源，該研究提供了一種可以區(qū)分表面態(tài)與體相態(tài)電子輸運(yùn)過(guò)程的新方法。強(qiáng)激光電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象為研究三維拓?fù)浣^緣體中拓?fù)浔砻鎽B(tài)與體相態(tài)之間的相互作用過(guò)程提供了方案；為在亞周期的時(shí)間尺度內(nèi)研究拓?fù)鋺B(tài)的強(qiáng)場(chǎng)非線性現(xiàn)象和強(qiáng)場(chǎng)作用下的拓?fù)湎嘧冞^(guò)程提供了技術(shù)手段。

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（a）拓?fù)浣^緣體產(chǎn)生高次諧波的實(shí)驗(yàn)布局與光譜圖。（b）-（c）平行驅(qū)動(dòng)光偏振方向的（b）4級(jí)次，（c）5級(jí)次諧波強(qiáng)度的角度分布。（d）、（e）對(duì)應(yīng)（b）、（c）,為垂直分量的角度分布