用激光探索量子电子高速公路

本图中心的半透明晶体是一个拓扑绝缘体，这是一种量子材料，其中电子（白点）在其表面上自由流动，但不通过其内部。通过用圆偏振激光（红色螺旋）的强大脉冲击中TI，SLAC和斯坦福大学的科学家产生了谐波，揭示了当表面从量子相位切换出来并成为普通绝缘体时会发生什么。图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

拓扑绝缘体或TI有两个面：电子沿着其表面边缘自由流动，就像高速公路上的汽车一样，但根本不能流过材料内部。创造这种独特的量子态需要一组特殊的条件 —— 部分电导体，部分绝缘体 —— 研究人员希望有朝一日能利用它来研究自旋电子学、量子计算和量子传感等。目前，他们只是试图了解是什么让TI打勾。

在沿着这些路线的最新进展中，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TI失去量子特性并成为另一种普通绝缘体的“相变”。

他们通过使用螺旋激光束从他们正在检查的材料中产生谐波来做到这一点 - 就像弹拨吉他弦的振动一样。这些谐波使得很容易区分高速公路层中发生的事情和内部发生的事情，并看到一个状态如何让位于另一个状态，他们今天在Nature Photonics上报道。

“材料产生的谐波放大了我们想要测量的效应，使其成为一种非常敏感的方式来观察TI中发生了什么，”领导实验的斯坦福PULSE研究所的博士后研究员Christian Heide说。

“由于这种基于光的方法可以在带有桌面设备的实验室中完成，因此与以前的一些方法相比，它使探索这些材料更容易，更容易获得。

PULSE首席研究员Shambhu Ghimire补充说，这些结果令人兴奋，因为他们表明新方法有可能在高速公路和绝缘状态之间观察TI在发生时来回翻转，并且细节细腻 - 就像使用快门速度非常快的相机一样。

SLAC高功率激光实验室的实验设置图，科学家使用圆偏振激光探测拓扑绝缘体 - 一种在其表面上传导电流但不通过其内部的量子材料。一种称为高谐波产生的过程在激光通过TI时将激光转移到更高的能量和频率或谐波。谐波使科学家能够清楚地区分电子在材料的导电表面及其绝缘内部的作用。图片来源：Shambhu Ghimire/Stanford PULSE Institute

漫长的谐波之旅

这是由Ghimire和PULSE总监David Reis领导的关于高谐波产生（HHG）的一系列研究中的最新一项，HHG是一种通过将激光照射穿过材料而将激光转移到更高能量和频率的现象。频率以不同的步骤移动，就像通过按吉他弦来做笔记一样。

在过去的十几年里，他们的研究团队已经设法在许多被认为不太可能甚至不可能成为HHG候选材料的材料中做到这一点，包括晶体，冷冻氩气和原子薄的半导体材料。他们甚至能够通过普通玻璃照射激光来产生阿托秒激光脉冲 - 只有十亿分之一秒长的十亿分之一秒，可以用来观察和控制电子的运动。

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-这是任何量子材料从未实现过的壮举。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。

这种螺旋激光有一个好处：通过改变其偏振，他们能够从TI的高速公路表面及其受路障的内部获得强烈的，独立的信号。这使他们能够轻松区分材料中这两个对比部分的内容。

在目前的研究中，他们开始通过改变其TI材料硒化铋的组成以及他们用它击中它的超短脉冲的激光的性质来展示新方法可以做些什么，以了解每种组合如何影响材料产生的谐波。

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，上下振荡。但它也可以被圆偏振，在右边，所以它的波像一个开瓶器一样围绕着光的传播方向。SLAC和斯坦福大学的一项新研究预测，这种圆偏振光可用于以以前不可能的方式探索量子材料。图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

螺旋线与杂质相遇

首先，他们将样本带到SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL）中，使用称为角度分辨光发射光谱（ARPES）的X射线技术进行检查。这使他们能够缩小过渡发生的一般社区的范围。

然后，回到实验室，他们放大以查看更多细节。

他们制备了一系列硒化铋样品 - 一些是纯的，另一些含有不同水平的化学杂质，已知会影响电子行为。部分样本为拓扑绝缘体，其他样本为普通绝缘体。

然后，他们用不同能量，偏振程度和方向的激光脉冲击中样品。

他们发现圆极化脉冲，特别是顺时针螺旋的脉冲，在从高速公路表面产生高谐波方面比从材料的绝缘部分产生高谐波的效率要高得多。“两者之间的差异是巨大的，”海德说，所以团队可以很容易地区分这两个州。

虽然纯样品是典型的TI，但材料开始在约4%的杂质水平上失去其拓扑能力，并完全损失了20%。当时，这种材料是一种普通的绝缘体。

这项研究中使用的超短激光脉冲 - 大约100飞秒，或百万分之一十亿分之一秒，长 - 直接穿过样品而不会损坏它，并且可以调整以探测其中的任何点，海德说“这是一个非常大的好处。

Ghimire说，就像具有超快快门速度的相机一样，这种相对较小且价格合理的激光设置应该能够以更精细的细节观察拓扑转换的特性以及其他电子特性和过程，并且随着它们实时变化。

“这是一种使这种全光学方法变得有趣并赋予其广泛潜在应用的可能性，”他说，“这是我们计划在未来的实验中探索的东西。

更多信息：克里斯蒂安·海德（Christian Heide），使用高谐波产生探测拓扑相变，自然光子学（2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01050-7.www.nature.com/articles/s41566-022-01050-7

期刊信息：自然光子学