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螺旋激光揭示了拓扑绝缘体如何失去其表面传导电流的能力。
资料来源：
DOE/SLAC National Accelerator Laboratory
摘要：
研究人员使用螺旋激光系统地研究了拓扑绝缘体（TI）失去其量子特性而变成普通绝缘体的相变。螺旋状的激光从他们所检查的材料中产生了谐波——很像弹拨的吉他弦的振动——这使得当一种状态转变另一种状态时，很容易区分TI的导电表面和绝缘内部发生了什么。
拓扑绝缘体，或称TIs，有两面：电子沿着表面边缘自由流动，就像高速公路上的汽车，但不能穿过材料内部。创造这种独特的量子态需要一组特殊的条件——一部分是导电体，一部分是绝缘体——研究人员希望有朝一日能将其应用于自旋电子学、量子计算和量子传感等领域。现在，他们只是想弄清楚这种特性的机制。
图：图中心的半透明晶体是一种拓扑绝缘体，是一种量子材料，电子（白点）在其表面自由流动，但不通过其内部。通过用强大的圆偏振激光脉冲（红色螺旋线）撞击TI，产生了谐波，从而揭示了当表面脱离其量子相位，变成普通绝缘体时会发生什么。来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
在这方面的最新进展中，能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员系统地探索了“相变”，在这种相变中，TI失去了其量子特性，变成了一种普通绝缘体。
相关研究成果发表在《Nature Photonics》上。
“材料产生的谐波放大了我们想要测量的效果，使这成为一种非常敏感的方式来观察TI中发生的变化，”领导实验的Stanford PULSE Institute的博士后研究员Christian Heide说。
“由于这种基于光的方法可以在实验室中完成，因此与以前的一些方法相比，探索这些材料更加容易。”
PULSE首席研究员Shambhu Ghimire补充说，这些结果令人兴奋，因为它们表明，新方法可以观察到TI在表面高速公路和绝缘状态之间来回翻转，就像使用快门速度非常快的相机一样。
谐波的长途之旅
这是一系列关于高次谐波产生（HHG）的研究中的最新一项。高次谐波是一种通过将激光照射到材料中而将其转换为更高能量和频率的现象。频率在不同的步骤中变化，就像按吉他弦发出的声音。
在过去的十几年里，他们的研究团队成功地在一些被认为不太可能甚至不可能成为HHG候选材料的材料中实现了这一点，包括晶体、冷冻氩气和原子薄半导体材料。他们甚至能够产生阿秒激光脉冲——其长度仅为十亿分之一秒，可用于观察和控制电子的运动——通过将激光照射普通玻璃。
四年前，博士后研究员Denitsa Baykusheva加入了PULSE小组，目的是看看是否有可能在拓扑绝缘体中产生HHG——这是任何量子材料都无法实现的壮举。经过几年的工作，该团队发现，是的，这是可以做到的，但前提是激光是圆偏振的。
这种螺旋状的激光还有一个好处：通过改变其偏振，他们能够从材料表面和内部获得强烈的分离信号。这使得他们能够很容易地区分材料的这两个对比部分发生了什么。
在目前的研究中，他们开始通过改变TI材料硒化铋的组成和撞击它的超短激光脉冲的性质，以观察每种组合如何影响材料产生的谐波。
螺旋遇到杂质
他们制备了一系列硒化铋样品——一些是纯的，另一些则含有不同程度的化学杂质，已知这些杂质会影响电子行为。一些样品是拓扑绝缘体，其他样品是平面绝缘体。
然后，他们用不同能量、不同偏振度和方向的激光脉冲击中样品。
他们发现，圆极化脉冲，尤其是顺时针旋转的脉冲，在表面产生高次谐波的效率要比材料绝缘部分的高次谐波高得多。“两者之间的差异是巨大的，”Heide说，因此团队可以很容易地将这两个性质区分开来。
[1] Christian Heide, Yuki Kobayashi, Denitsa R. Baykusheva, Deepti Jain, Jonathan A. Sobota, Makoto Hashimoto, Patrick S. Kirchmann, Seongshik Oh, Tony F. Heinz, David A. Reis, Shambhu Ghimire. Probing topological phase transitions using high-harmonic generation. Nature Photonics, 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01050-7
