南京大学国家重点实验室等在外尔半金属中发现新光学效应

近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、物理学院、电子科学与工程学院、现代工程与应用科学学院、微结构科学与技术协同创新中心陈延彬、谢臻达和姚淑华研究组在外尔半金属 β-WP2 晶体的光学效应研究中取得重要进展。

据悉，该研究团队首次在实验上发现外尔半金属 β-WP2 中能够同时有效地输出奇数阶和偶数阶的高次谐波（High-harmonic generations），利用近红外飞秒激光器，在相对低的激光强度下，实现深紫外光的输出（190nm）。这一技术可实现全固态的深紫外光输出，较现有的利用液态锡产生深紫外激光的技术，具有全固态和易于操纵的优势。相关研究工作以"High-harmonic generation in Weyl semimetal β-WP2 crystals"为题发表在期刊《Nature Communications》。

南京大学官网消息显示，外尔半金属是一种新颖的量子态，其电子迁移率通常较高，其中外尔半金属 β-WP2 晶体更是具有 106 cm2/(V.s) 的迁移率。同时，第一性计算及角分辨光电子能谱的实验表明，在 β-WP2 的外尔点（Weyl points）处，有峰状的贝利（Berry）曲率。本文发现，外尔半金属中贝利曲率是有效产生偶数阶高次谐波的原因。即：基于具有贝利曲率的布洛赫振荡原理，解释了外尔半金属中奇、偶阶高次谐波发生的机制。

实验上，该研究团队制备高质量的 β-WP2 单晶体，利用 1900 纳米的飞秒激光器，在相对低的激光强度（~0.29 TW/cm2）的激发下，同时观测到奇数阶和偶数阶的高次谐波（高达 10 阶），实现了真空紫外光的输出（190nm）。理论上，对此进行了定量的描述：奇数阶的高次谐波来源于电子的布洛赫振荡，偶数阶的高次谐波则是来源于外尔点处的峰状贝里曲率作用下的布洛赫振荡。结合晶体取向依赖的高次谐波光谱的理论拟合，还能够从实验数据反推出 β-WP2 的电子能带结构和贝利曲率特征。

这一结果证明外尔半金属能够有效地产生高次谐波，为利用拓扑半金属态作为产生深紫外光的应用打下了基础。同时证明高次谐波产生是研究具有复杂电子能带结构的量子材料能带结构和拓扑特性的一种有效的光学方法。

据悉，南京大学固体微结构物理国家重点实验室于 1984 年成立，是由国家计委首批投资建设的国家重点实验室之一。实验室以凝聚态物理学、材料科学和信息科学等多学科交叉融合为依托，面向量子调控等重大前沿科学问题和国民经济发展的重大需求，围绕微结构材料的设计、制备、性质及其应用等重大科学问题与技术关键，以量子调控研究、人工纳米结构材料与器件等为主要研究方向，设计、制备微米、亚微米、纳米尺度的新结构，揭示新的量子效应，发展量子调控科学，进而发展新一代的光电器件及其应用，以期为技术创新提供科学积累，促成我国新一代信息技术的跨越式发展。