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      近日，南京大學固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室(HMDS涂膠機）、物理學院、電子科學與工程學院、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院、微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心陳延彬、謝臻達和姚淑華研究組在外爾半金屬β-WP2晶體的光學效應(yīng)研究中取得重要進展。該研究團隊在實驗上發(fā)現(xiàn)外爾半金屬β-WP2中能夠同時有效地輸出奇數(shù)階和偶數(shù)階的高次諧波（High-harmonic generations）。他們利用近紅外飛秒激光器，在相對低的激光強度下，實現(xiàn)了深紫外光的輸出（190nm）。這一技術(shù)可以實現(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。

       以往的研究認為，高次諧波的產(chǎn)生機制是電子在超快激光激發(fā)下的布洛赫振蕩（Bloch oscillation）產(chǎn)生的輻射：高遷移率的電子在瞬態(tài)的電磁場作用下，能夠穿過整個布里淵區(qū)，而穿過的布里淵區(qū)數(shù)目越多，高次諧波的產(chǎn)生越有效。高次諧波的產(chǎn)生本質(zhì)上是電子在倒空間運動的傅里葉變換，所以，能夠多次穿過布里淵區(qū)就能產(chǎn)生更高階的諧波發(fā)射。但沒有貝里曲率下的布洛赫振蕩只能解釋奇次諧波產(chǎn)生的原因。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，性計算及角分辨光電子能譜的實驗表明，在β-WP2的外爾點（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)生的機制。

      實驗上，該研究團隊制備了高質(zhì)量的β-WP2單晶體，利用 1900納米的飛秒激光器，在相對低的激光強度（~0.29 TW/cm2）的激發(fā)下，同時觀測到了奇數(shù)階和偶數(shù)階的高次諧波（高達10階），實現(xiàn)了真空紫外光的輸出（190nm）。理論上，對此進行了定量的描述：奇數(shù)階的高次諧波來源于電子的布洛赫振蕩，偶數(shù)階的高次諧波則是來源于外爾點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，還能夠從實驗數(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，為利用拓撲半金屬態(tài)作為產(chǎn)生深紫外光的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。同時證明高次諧波產(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)和拓撲特性的一種有效的光學方法。

      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》[12, 6437 (2021)]。該研究工作以南京大學物理學院陳延彬教授、電子科學與工程學院謝臻達教授和徐金龍研究員、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院姚淑華副教授為共同通訊作者。物理學院博士后呂洋洋和電子科學與工程學院研究員徐金龍為共同作者。現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院周健副教授提供了性原理計算支持。中國工程物理研究院流體物理研究所胡建波研究員團隊提供了實驗幫助。上海科技大學物質(zhì)科學和技術(shù)學院劉曉平教授、南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院盧明輝教授和中科院物理所翁紅明研究員參與了研究工作的討論。南京大學祝世寧院士和陳延峰教授對本工作進行了深入指導(dǎo)。該項研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、高校基本科研業(yè)務(wù)費專項、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、中國博士后科學基金面上等基金項目的資助。該研究工作還得到南京大學固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室和人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。