实验证实了一种量子材料对圆偏振激光的独特反应

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激光通常是线偏振的，这意味着它的光波只在一个方向上振荡——在左边的例子中是向上和向下。但它也可以是圆偏振的，在右边，所以它的波像开瓶器一样绕着光传播的方向旋转。SLAC和斯坦福大学的一项新研究预测，圆偏振光可以用以前不可能的方式来 探索 量子材料。资料来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室

去年年初，COVID-19大流行关闭了能源部SLAC国家加速器实验室的实验，Shambhu Ghimire的研究小组被迫寻找另一种方法来研究一个有趣的研究目标:被称为拓扑绝缘体(TIs)的量子材料，可以在其表面导电，但不通过其内部。

瑞士国家科学基金会研究员Denitsa Baykusheva两年前加入了他在斯坦福脉冲研究所的团队，目标是找到一种方法在这些材料中产生高谐波，或HHG，作为研究它们行为的工具。在HHG中，激光通过物质照射会转变为更高的能量和更高的频率，称为谐波，就像按下吉他弦会发出更高的音调。TIs是自旋电子学、量子传感和量子计算等技术的基石，如果能做到这一点，将为科学家研究这些和其他量子材料提供新的工具。

随着实验中途停止，她和她的同事转向理论和计算机模拟，提出了在拓扑绝缘体中产生HHG的新配方。结果表明，沿激光束方向旋转的圆偏振光，会从导电表面和TI(即硒化铋)内部产生清晰、独特的信号，实际上会增强来自表面的信号。

上图展示了圆偏振激光(上图)是如何探测拓扑绝缘体(黑色)的，这是一种量子材料，在其表面导电，但不通过内部。光导致材料中的电子飞离，重新组合，并通过一个被称为高谐波产生的过程发出更高能量和频率的光(白色)。通过分析发出的光，科学家可以测量材料中电子的自旋和动量。SLAC的实验证实，这些信号是拓扑表面的唯一特征。资料来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室

当实验室重新开放进行实验，并采取了covid安全预防措施时，Baykusheva第一次开始测试这个配方。在今天发表在《纳米快报》(Nano Letters)上的一篇论文中，研究小组报告说，这些测试完全按照预期进行，从拓扑表面产生了第一个独特的签名。

“这种材料看起来与我们尝试过的任何其他材料都非常不同，”PULSE的首席研究员Ghimire说。“能够找到一种新型材料，这种材料的光学反应与其他任何材料都不同，这真的很令人兴奋。”

在过去的十几年里，Ghimire和PULSE主任David Reis做了一系列实验，证明HHG可以用以前认为不可能或甚至不可能的方式产生:将激光射入晶体、冷冻氩气或原子薄的半导体材料。另一项研究描述了如何使用HHG产生阿秒激光脉冲，通过通过普通玻璃照射激光，可以用来观察和控制电子的运动。

这种箭头图案反映了拓扑绝缘体表面电子的自旋和动量的组合。拓扑绝缘体是一种在其表面传导电流而不是通过其内部的量子材料。SLAC的实验发现圆偏振激光与这种自旋偏振耦合，产生一种独特的高谐波产生模式，这是拓扑表面的特征。资料来源:Denitsa Baykusheva/斯坦福PULSE研究所

但是量子材料坚决反对以这种方式进行分析，拓扑绝缘体的分裂特性提出了一个特殊的问题。

“当我们用激光照射TI时，表面和内部都会产生谐波。挑战在于如何将它们分开。”

他解释说，该团队的关键发现是，圆偏振光与表面和内部以截然不同的方式相互作用，促进来自表面的高谐波产生，并赋予其独特的特征。反过来，这些相互作用是由表面和内部的两个基本区别形成的:它们的电子自旋极化的程度——例如，以顺时针或逆时针方向为方向——以及它们原子晶格中的对称类型。

SLAC高功率激光实验室的实验装置示意图，科学家们使用圆偏振激光探测拓扑绝缘体——一种量子材料，在其表面导电，但不通过其内部。一个被称为高谐波产生的过程将激光转换为更高的能量和频率，或称谐波。这在探测器(箭头)中产生了偏振模式，揭示了导电表层电子的自旋和动量——拓扑表面的独特特征。来源:Shambhu Ghimire/斯坦福PULSE研究所

Ghimire说，自从该小组今年早些时候在TIs上发表了实现高氢高汞的配方以来，德国和中国的另外两个研究小组已经报告了在拓扑绝缘体中创造高氢高汞的情况。但这两个实验都是用线偏振光进行的，所以他们没有看到圆偏振光产生的增强信号。他说，这个信号是拓扑表面状态的一个独特特征。

由于强烈的激光可以将材料中的电子变成电子的汤——等离子体——研究小组必须找到一种方法来改变他们的高功率钛蓝宝石激光器的波长，使其延长10倍，从而减少10倍的能量。他们还使用非常短的激光脉冲来减少对样品的损害，这还有一个额外的好处，即允许他们以相当于百万分之一秒十亿分之一秒的快门速度捕捉材料的行为。

“使用HHG的优势在于它是一种超快的探测器，”Ghimire说。“既然我们已经确定了这种探测拓扑表面状态的新方法，我们可以用它来研究其他有趣的材料，包括由强激光或化学方法诱导的拓扑状态。”

来自斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)、密歇根大学安娜堡分校和韩国浦项 科技 大学(POSTECH)的研究人员对这项工作做出了贡献。

激光器科研进展

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激光器的种类繁多，近年来激光器的发展相对放慢，下面是近年来激光器的最新进展：

一、半导体激光器最新进展

1.半导体激光器最新进展

半导体激光器(LD)发展至今，其波长已

从可见光、红外发展到远红外和紫外;结构从

同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱

(单、多量子阱)等。

其性能也不断改善，输出

功率不断提高，单个器件输出功率已从几百

mW发展到几W;线阵和二维列阵大功率LD

输出功率从十几瓦提高到几千瓦。

阑值电流

密度已降低到100 A/cm2以下，图1示出了

切同值电流密度的下降趋势。

目前，各发达国家都在研发大功率、高

速、宽频量子阱激光器(QWLD)，并取得较大

发展。

QWLD研制成功是功发展历史上又

一个里程碑，基于MOCvD外延技术的QwLD

发展经历了体材料激光器>普通QwLD>应

变和补偿应变QWLD>与偏振无关半导体激

光放大器>光子及光电器件集成几个发展阶

段。

应变层QWLD是新一代高速宽频带光

2.光子晶体激光器

3.量子点激光器

4.量子级联激光器

二、光纤激光器最新进展

三、泵浦固体激光器最新进展

四、纳米激光器最新进展

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