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超强激光科学卓越创新简报
(第一百五十七期)
2020年12月7日
上海光机所在拓扑态贡献的高次谐波产生研究方面取得重要进展
　　中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在强激光电场与拓扑新物态相互作用新现象和新物理方面取得重要进展，实验上首次证实了拓扑表面态贡献的高次谐波辐射并揭示了其物理机制，为拓扑强场物理和强场与物质相互作用领域的研究带来了新的推动力。相关成果以“High-harmonic generation from topological surface states”为题发表在《自然 物理》（Nature Physics）。
　　拓扑相变和拓扑物相的研究开启了凝聚态物理研究的新篇章，因此被授予2016年诺贝尔物理学奖。三维拓扑绝缘体因其具有新颖的表面拓扑电子态，具有不同寻常的电荷和自旋的输运性质，因而受到研究人员的广泛关注。用强激光电场驱动拓扑表面态中的非线性电子动力学过程的研究尚处于初始阶段。理论研究工作表明强场驱动的高次谐波的产生过程敏感地依赖拓扑非平庸相，但目前拓扑态产生高次谐波的实验现象尚未见报道。
　　在本研究中，研究人员利用自行搭建的长波长超强激光脉冲装置输出的激光脉冲作用于拓扑绝缘体表面，以产生的高次谐波推演强场驱动的拓扑态电子动力学过程。实验观测到了延伸到9级次的高次谐波产生（图1(a)），并通过转动拓扑绝缘体的方位角，测量了高次谐波光谱的调制（图1(b)-(e)），结果显示奇级次与偶级次谐波的强度和偏振具有不同的角晶体方位角依赖关系。理论分析表明平行于驱动光方向的偶次谐波来自拓扑表面态中的自旋电流，而表面态中电子的面外自旋导致了垂直方向的偶次谐波产生。由于高次谐波光谱中奇级次与偶级次谐波不同的来源，本研究提供了一种可以区分表面态与体相态电子输运过程的新方法。强激光电场驱动的非线性动力学现象为研究三维拓扑绝缘体中拓扑表面态与体相态之间的相互作用过程提供一种可行的有效方案，并且为在亚周期的时间尺度内研究拓扑态的强场非线性现象和强场作用下的拓扑相变过程提供了新颖的技术手段。
　　本研究的合作单位为南京大学固体微结构物理国家重点实验室，相关工作得到了国家自然科学基金、中科院先导专项（B类）、中科院科研仪器设备研制项目和上海市发改委重大项目的支持。（强场激光物理国家重点实验室供稿）。
图1 (a) 拓扑绝缘体产生高次谐波的实验布局与光谱图。(b)-(c) 平行驱动光偏振方向的 (b) 4级次, (c) 5级次谐波强度的角度分布。(d),(e) 对应(b),(c)，为垂直分量的角度分布。
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