由SLAC国家加速器实验室制作
激光通常是线性偏振的，这意味着它的波只在一个方向上振荡——在左边的例子中是上下振荡
但是它也可以是圆偏振的，在右边，所以它的波像螺旋钻一样围绕着光传播的方向旋转
SLAC和斯坦福的一项新研究预测，这种圆偏振光可以用来探索量子材料，其方式是以前不可能的
信用:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 去年年初，当新冠肺炎大流行关闭了能源部SLAC国家加速器实验室的实验时，沙姆布·吉米尔的研究小组被迫寻找另一种方法来研究一个有趣的研究目标:被称为拓扑绝缘体的量子材料，它在表面传导电流，但不通过内部
两年前，瑞士国家科学基金会研究员Denitsa Baykusheva在斯坦福脉冲研究所加入了他的小组，目标是找到一种方法在这些材料中产生高次谐波，或HHG，作为探测它们行为的工具
在HHG，穿过材料的激光转换到更高的能量和频率，称为谐波，就像压在吉他弦上产生更高的音符
如果这可以在TIs中实现，这将为科学家研究这些和其他量子材料提供一个新的工具，TiS是自旋电子学、量子传感和量子计算等技术的有前途的组成部分
随着实验中途停止，她和她的同事们转向理论和计算机模拟，想出了一个在拓扑绝缘体中产生HHG的新方法
结果表明，沿激光束方向盘旋的圆偏振光将从他们研究的钛的导电表面和内部产生清晰、独特的信号，即硒化铋，事实上将增强来自表面的信号
一幅插图显示了如何使用圆偏振激光(顶部)探测拓扑绝缘体(黑色)，这是一种在其表面传导电流但不通过其内部的量子材料
光通过一种被称为高次谐波产生的过程，导致材料中的电子飞散、重组并发出更高能量和频率的光(白色)
通过分析这些发出的光，科学家可以测量材料中电子的自旋和动量
SLAC的实验证实，这些信号是拓扑表面的独特特征
信用:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 当实验室在covid安全预防措施到位的情况下重新开放进行实验时，Baykusheva第一次着手测试这个配方
在今天发表在《纳米快报》上的一篇论文中，研究小组报告说，这些测试完全符合预期，从拓扑表面产生了第一个独特的信号
“这种材料看起来与我们尝试过的任何其他材料都非常不同，”PULSE的首席研究员Ghimire说
“能够找到一种新的材料，它的光学响应与其他任何材料都非常不同，这真的很令人兴奋
" 在过去的十几年里，吉米尔与脉冲导演大卫·里斯一起做了一系列实验，证明HHG可以用以前认为不可能甚至不可能的方式生产:通过向晶体、冻结的氩气或原子般薄的半导体材料发射激光
另一项研究描述了如何利用HHG产生阿秒激光脉冲，通过在普通玻璃中照射激光来观察和控制电子的运动
这种箭头图案反映了拓扑绝缘体表层中电子的自旋和动量的组合，拓扑绝缘体是一种量子材料，在其表面传导电流，但不通过其内部
SLAC大学的实验发现，圆偏振激光与这种自旋偏振耦合，产生了一种独特的高谐波生成模式，这是拓扑表面的特征
学分:Denitsa Baykusheva/斯坦福脉冲研究所 但是量子材料坚决反对以这种方式进行分析，拓扑绝缘体的分裂特性提出了一个特殊的问题
“当我们将激光照射到TI上时，表面和内部都会产生谐波
面临的挑战是将它们分开。”
他解释说，该团队的关键发现是，圆偏振光与表面和内部以截然不同的方式相互作用，促进了来自表面的高次谐波的产生，并赋予它独特的特征
反过来，这些相互作用是由表面和内部的两个基本差异形成的:它们的电子自旋极化的程度——例如，顺时针或逆时针方向——以及它们的原子晶格中发现的对称类型
SLAC高功率激光实验室的实验装置图，科学家用圆偏振激光探测拓扑绝缘体——一种在表面传导电流但不通过内部传导电流的量子材料
一种称为高次谐波产生的过程将激光转换为更高的能量和频率，或谐波
这在检测器(箭头)中产生极化模式，揭示导电表面层中电子的自旋和动量——拓扑表面的独特特征
学分:沙姆布·吉米尔/斯坦福脉冲研究所 Ghimire说，自从该小组今年早些时候公布了在TIs中实现HHG的方法后，德国和中国的另外两个研究小组已经报道了在拓扑绝缘体中创造HHG
但是这两个实验都是用线偏振光进行的，所以他们没有看到圆偏振光产生的增强信号
他说，这个信号是拓扑表面状态的一个独特特征
因为强激光可以将材料中的电子变成电子汤——等离子体——研究小组必须找到一种方法来改变高功率钛蓝宝石激光器的波长，使其长度增加10倍，从而能量减少10倍
他们还使用非常短的激光脉冲来最小化对样品的损害，这有一个额外的优势，即允许他们以相当于百万分之一十亿分之一秒的快门速度来捕捉材料的行为
“使用HHG的优势在于它是一个超快探测器，”吉尔米尔说
“现在我们已经确定了这种探测拓扑表面状态的新方法，我们可以用它来研究其他有趣的材料，包括由强激光或化学手段诱导的拓扑状态
" 来自SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)、美国密歇根大学安娜堡分校和韩国浦项科技大学(POSTECH)的研究人员为这项工作做出了贡献
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