拓扑绝缘体(TIs)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，但它根本不能流过材料内部，创造这种部分导电，部分绝缘体的独特量子态需要一组特殊的条件，研究人员希望有一天能将其用于自旋电子学、量子计算和量子传感等领域，现在，他们只是试图了解是什么让它发生。
在这方面的最新进展中，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失去量子特性并变成另一个普通绝缘体的“相变”。
他们通过使用螺旋激光束来产生谐波——很像拨动的吉他弦的振动——从他们正在研究的材料中。在近日的《自然光子学》期刊上报道说，这些谐波很容易区分高速公路层和内部发生了什么，并看到一个状态是如何让位于另一个状态的。
“由材料产生的谐波放大了我们想要测量的效果，使这成为一种非常敏感的方式来了解TI中发生了什么，”斯坦福脉冲研究所博士后研究员Christian Heide说，他领导了这项实验。
“由于这种基于光的方法可以在实验室中通过桌面设备完成，它使探索这些材料比以前的一些方法更容易。”
PULSE的首席研究员Shambhu Ghimire补充说，这些结果令人兴奋，新方法有潜力观察TIs在高速公路和绝缘状态之间来回翻转的过程和细节，就像使用快门速度非常快的相机一样。
这是Ghimire和PULSE主管David Reis领导的一系列关于高次谐波产生(HHG)的研究中最新的一项。HHG是一种通过照射材料将激光转移到更高能量和频率的现象。频率在不同的步骤中移动，就像按下吉他弦发出的音符。
在过去的十几年里，他们的研究团队已经成功地在许多被认为不太可能甚至不可能成为HHG的候选材料上做到了这一点，包括晶体、冷冻氩气和原子薄的半导体材料。他们甚至能够产生阿秒激光脉冲——只有十亿分之一秒长，可以用来观察和控制电子的运动——通过激光照射普通玻璃。
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——这一壮举从未在任何量子材料中实现过。经过几年的研究，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。
这种螺旋状的激光还有一个额外的好处:通过改变其偏振，它们能够从TI的高速公路表面和受阻的内部获得强而独立的信号，这让他们能够很容易地分辨出这两部分材料中发生了什么。
在目前的研究中，他们通过改变TI材料的组成，硒化铋，以及激光的超短脉冲的特性，来观察每种组合如何影响材料产生的谐波，从而证明了新方法可以做到什么。
首先，他们将样本带到SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)，用一种被称为角度分辨光电发射光谱(ARPES)的x射线技术进行检测，这让他们缩小了过渡发生的区域范围，回到实验室，放大看更多的细节。
他们制备了一系列硒化铋样品，其中一些是纯的，另一些则含有不同程度的化学杂质，这种杂质已知会影响电子行为，一些样品是拓扑绝缘体，另一些是普通绝缘体，然后，他们用不同能量、不同偏振度和不同方向的激光脉冲撞击样本。
发现圆偏振脉冲，尤其是顺时针旋转的圆偏振脉冲，在高速公路表面产生高次谐波的效率比在材料的绝缘部分要高得多，“两者之间的差异是巨大的，”Heide说，所以团队可以很容易地区分这两部分。
纯样品为经典的TIs，材料在杂质水平约为4%时开始失去拓扑能力，共失去20%，那时，这种材料还只是普通的绝缘体。
在这项研究中使用的超短激光脉冲——大约100飞秒，或十亿分之一秒，长——可以穿透样本而不损坏它，并且可以被调节来探测其中的任何一点，Heide说:“这是一个非常大的好处。”
Ghimire说，就像拥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装置应该能够观察到拓扑跃迁的特征，以及其他电子特性和过程，在它们实时变化的过程中，观察到更详细的细节。
“这是一种可能性，使这种全光学方法变得有趣，并赋予它广泛的潜在应用，”他说，“这是我们计划在未来的实验中探索的东西。”
来自SSRL、斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)和哈佛大学的研究人员也参与了这项工作，罗格斯大学的一个团队准备了实验中使用的样本。这项研究主要由美国能源部科学办公室资助。
https://thequantuminsider.com/2022/08/22/researchers-explore-quantum-electron-highways-with-laser-light/
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