作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员发现，将强圆偏振光聚焦在拓扑绝缘体上会产生谐波，可用于探测材料拓扑表面的电子行为，这是一种电子高速公路，电子在其中无损耗地流动
这项技术应该适用于广泛的量子材料
信用:格雷格·斯图尔特，SLAC国家加速器实验室 拓扑绝缘体是最令人困惑的量子材料之一——一类电子以惊人的方式合作产生意想不到的性质的材料
钛的边缘是电子高速公路，在那里电子无损耗地流动，忽略路径上的任何杂质或其他障碍，而大部分材料阻挡电子流动
自从10多年前发现这些令人困惑的材料以来，科学家们一直在研究它们，以期将它们用于量子计算和信息处理等领域
现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员发明了一种新的、无需干预的方法，来探测一个TI中最快、最短暂的现象，并清楚地区分它的电子在高速公路边缘做什么和它们在其他地方做什么
这项技术利用了一种被称为高次谐波产生或HHG的现象，这种现象通过将激光照射到材料上，将激光转移到更高的能量和频率上，就像按下吉他弦产生更高的音符一样
通过改变进入透明质酸中的激光的偏振，并分析移出的光，研究人员获得了强而独立的信号，告诉他们在材料的两个对比区域中的每一个发生了什么
“我们发现，发出的光给我们提供了关于高速公路表面特性的信息，”沙姆布·吉米尔说，他是SLAC斯坦福脉冲研究所的首席研究员，这项工作就是在那里进行的
“这个信号非常显著，它对激光偏振的依赖程度与我们在传统材料中看到的截然不同
我们认为我们有一种潜在的新方法来引发和探索量子行为，这种行为应该存在于广泛的量子材料中
" 研究小组今天在《物理评论》上报道了这一结果
亮进来，亮出去 从2010年开始，由吉斯麦尔和脉冲导演大卫·里斯领导的一系列实验表明，HHG可以用以前认为不可能甚至不可能的方式生产:将激光照射到晶体、冷冻氩气或原子级薄半导体材料上
另一项研究描述了如何利用HHG产生阿秒激光脉冲，通过普通玻璃照射激光，可以用来观察和控制电子的运动
2018年，拥有HHG研究背景的瑞士国家科学基金会研究员德尼莎·拜库舍娃(Denitsa Baykusheva)作为博士后研究员加入了脉冲研究小组
她的目标是研究在拓扑绝缘体中产生HHG的可能性——这是第一次在量子材料中进行这样的研究
“我们想看看用来产生HHG的强激光脉冲会发生什么，”她说
“以前没有人真正将如此强的激光聚焦在这些材料上
" 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
但是它也可以是圆偏振的，在右边，所以它的波像螺旋一样围绕着光传播的方向旋转
美国国家加速器实验室和斯坦福大学的一项新研究预测，这种圆偏振光可以用来以以前不可能的方式探索全物质
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 但是在这些实验进行到一半的时候，新冠肺炎大流行爆发了，实验室在2020年3月关闭了，除了基本的研究之外
因此，该团队必须想出其他方法来取得进展，巴古舍娃说
“在像这样一个新的研究领域，理论和实验必须齐头并进，”她解释道
“理论对于解释实验结果和预测未来实验最有希望的途径是至关重要的
所以我们都把自己变成了理论家”——首先用笔和纸工作，然后写代码，做计算，输入计算机模型
有启发性的结果 令他们惊讶的是，结果预测圆偏振激光可以用来触发拓扑绝缘体中的HHG，其波像螺旋一样围绕着光束盘旋
“我们观察到的一个有趣的事情是，圆偏振激光在拓扑绝缘体表面的超级高速公路上产生谐波非常有效，但在其余部分却不是这样，”巴古舍娃说
“这是一种非常独特和特殊的材料
它可以用来获取关于在高速公路上行驶的电子和不在高速公路上行驶的电子的信息，它还可以用来探索其他类型的材料，这些材料不能用线偏振光探测
" 这项研究的合著者赖斯说，研究结果为继续探索量子材料中的HHG提供了一个配方
他说:“值得注意的是，一种产生强而潜在破坏性场的技术可以给你一个关于材料拓扑状态的清晰而鲁棒的信号，这种技术可以将材料中的电子带到周围，并利用它们来探测材料本身的属性。”
“我们可以看到任何东西的事实令人惊讶，更不用说我们可以潜在地使用同样的光来改变材料的拓扑性质
" 赖斯补充说，SLAC的实验已经在有限的基础上恢复，理论工作的结果给了团队新的信心，他们知道自己到底在寻找什么
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