南京大學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 外爾半金屬β-WP2能同時(shí)輸出奇數(shù)階和偶數(shù)階高次諧波

近日，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、電子科學(xué)與工程學(xué)院、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心陳延彬、謝臻達(dá)和姚淑華研究組在外爾半金屬 β-WP2 晶體的光學(xué)效應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展。

據(jù)悉，該研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)外爾半金屬 β-WP2 中能夠同時(shí)有效地輸出奇數(shù)階和偶數(shù)階的高次諧波(High-harmonic generations)，利用近紅外飛秒激光器，在相對(duì)低的激光強(qiáng)度下，實(shí)現(xiàn)深紫外光的輸出(190nm)。這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全固態(tài)的深紫外光輸出，較現(xiàn)有的利用液態(tài)錫產(chǎn)生深紫外激光的技術(shù)，具有全固態(tài)和易于操縱的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究工作以“High-harmonic generation in Weyl semimetal β-WP2 crystals”為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》。

南京大學(xué)官網(wǎng)消息顯示，外爾半金屬是一種新穎的量子態(tài)，其電子遷移率通常較高，其中外爾半金屬 β-WP2 晶體更是具有 106 cm2/(V.s) 的遷移率。同時(shí)，第一性計(jì)算及角分辨光電子能譜的實(shí)驗(yàn)表明，在 β-WP2 的外爾點(diǎn)(Weyl points)處，有峰狀的貝利(Berry)曲率。本文發(fā)現(xiàn)，外爾半金屬中貝利曲率是有效產(chǎn)生偶數(shù)階高次諧波的原因。即：基于具有貝利曲率的布洛赫振蕩原理，解釋了外爾半金屬中奇、偶階高次諧波發(fā)生的機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)上，該研究團(tuán)隊(duì)制備高質(zhì)量的 β-WP2 單晶體，利用 1900 納米的飛秒激光器，在相對(duì)低的激光強(qiáng)度(~0.29 TW/cm2)的激發(fā)下，同時(shí)觀測(cè)到奇數(shù)階和偶數(shù)階的高次諧波(高達(dá) 10 階)，實(shí)現(xiàn)了真空紫外光的輸出(190nm)。理論上，對(duì)此進(jìn)行了定量的描述：奇數(shù)階的高次諧波來(lái)源于電子的布洛赫振蕩，偶數(shù)階的高次諧波則是來(lái)源于外爾點(diǎn)處的峰狀貝里曲率作用下的布洛赫振蕩。結(jié)合晶體取向依賴的高次諧波光譜的理論擬合，還能夠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反推出 β-WP2 的電子能帶結(jié)構(gòu)和貝利曲率特征。

這一結(jié)果證明外爾半金屬能夠有效地產(chǎn)生高次諧波，為利用拓?fù)浒虢饘賾B(tài)作為產(chǎn)生深紫外光的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。同時(shí)證明高次諧波產(chǎn)生是研究具有復(fù)雜電子能帶結(jié)構(gòu)的量子材料能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦缘囊环N有效的光學(xué)方法。

據(jù)悉，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于 1984 年成立，是由國(guó)家計(jì)委首批投資建設(shè)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一。實(shí)驗(yàn)室以凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科交叉融合為依托，面向量子調(diào)控等重大前沿科學(xué)問(wèn)題和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求，圍繞微結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、制備、性質(zhì)及其應(yīng)用等重大科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)關(guān)鍵，以量子調(diào)控研究、人工納米結(jié)構(gòu)材料與器件等為主要研究方向，設(shè)計(jì)、制備微米、亞微米、納米尺度的新結(jié)構(gòu)，揭示新的量子效應(yīng)，發(fā)展量子調(diào)控科學(xué)，進(jìn)而發(fā)展新一代的光電器件及其應(yīng)用，以期為技術(shù)創(chuàng)新提供科學(xué)積累，促成我國(guó)新一代信息技術(shù)的跨越式發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 南京大學(xué) 外爾半金屬 β-WP2 偶數(shù)階