美国SLAC国家实验室：飞秒激光，探索拓扑绝缘体的新思路

作为一种新型量子材料，拓扑绝缘体(TIs)因其自身特殊的原子结构，成为低能耗技术理想的备选材料；而对TIs表面态的观测方式，也一直是研究人员关注的重点。

近日，来自美国SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究团队，提出了一种利用圆偏振超快激光激发高次谐波(HHG)来实现拓扑相变观测的新方法。该团队通过原子替代的方式，改变了拓扑绝缘材料硒化铋(Bi₂Se₃)的拓扑相，并对比了不同拓扑相下圆偏振激光所驱动的HHG表现。实验结果表明，该方法能够简明有效地实现对不同拓扑相的区分。

就在摩尔定律被认为即将走向终结的时刻，华裔物理学家张首晟提出了打破僵局的新思路：在量子自旋霍尔效应的基础上，他预言并发现了一种新型量子材料：TIs。作为一种体态绝缘，表面态导电的材料，TIs能够为电子的传输建立一条“高速公路”，避免因电子碰撞及其他行为所导致过多的热量耗散出现。TIs 的特殊能带结构使得电子像行驶在高速公路上的汽车一样，沿其表面边缘自由流动而无法流经材料内部。

图1 受圆偏振激光探测的拓扑绝缘体，电子（白点）在其表面流动

由于具有受时间反演对称性保护的表面态， TIs能够抑制一些无序以及非磁性杂质的后向散射，并允许自旋电流的存在；这为从无耗散电荷传输到容错量子计算的一系列科学猜想提供了理想的实验平台。而为了更好地理解TIs运行时的物理机制，推动其在自旋电子、量子计算以及低损耗电子传输等技术领域的应用发展，一种高效且通用的探测手段就显得极为重要。

在过往对TIs的研究中，对拓扑相变的探究一直是备受关注的研究难点，研究人员往往需要借助自旋和角分辨光电子能谱(s-ARPES)技术，才能对材料的性质进行深入的探究；但这项技术对样品表面以及实验环境都有着较高的要求，为进一步的研究带来了桎梏。而本文所介绍的研究工作则一改之前的研究方式，通过圆偏振飞秒激光激发HHG，对TIs材料进行相变探测研究；相较于s-ARPES来说，该方法对样品及样品环境有着更高的兼容特性，并且能够进行较好的拓展。

图2对本工作所涉及的实验原理进行了简要解释。其中，图2(a)分别探究了非平庸和平庸拓扑相变的掺杂节点，以及不同拓扑相在HHG激发时所表现出对激光圆偏振度的依赖关系。图2(b)则展示了不同拓扑相所激发高次谐波的强度曲线；事实上，除了第五和第六次谐波之外，两种拓扑相在其他高次谐波下并未显示出比较明显的差异。

HHG的引入，不仅使得材料内部电子的动力学行为变得易于观测，而且降低了对相变过程标记和区分的技术难度。这项工作的领导者，来自SLAC国家加速器实验室的博士后研究员Christian Heide在接受采访时谈到：“Bi₂Se₃材料在受到激光激发后所产生的HHG，不仅放大了我们想要看到的测量结果，而且能够对TIs材料中发生的非线性动力学行为保持较强的敏感性。此外，这种探测手段可以在任何一个实验室中搭建应用，相较于之前的方法来说，它使得材料的探索过程变得更加简易”。而本项研究的另一位主要参与者Shambhu Ghimire也补充表示：“这些实验结果令人感到兴奋，因为它们带来了对拓扑相变切换过程进行观测的可能性，就好比一台拥有极快快门速度的相机能够捕捉到细微痕迹一样”。

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科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿