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      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(HMDS涂膠機(jī)）、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。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）。他們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)了深紫外光的輸出（190nm）。這一技術(shù)可以實(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)。

       以往的研究認(rèn)為，高次諧波的產(chǎn)生機(jī)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(chǎng)作用下，能夠穿過整個(gè)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(yùn)動(dòng)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(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(duì)低的激光強(qiáng)度（~0.29 TW/cm2）的激發(fā)下，同時(shí)觀測(cè)到了奇數(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(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。

      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(xué)物理學(xué)院陳延彬教授、電子科學(xué)與工程學(xué)院謝臻達(dá)教授和徐金龍研究員、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院姚淑華副教授為共同通訊作者。物理學(xué)院博士后呂洋洋和電子科學(xué)與工程學(xué)院研究員徐金龍為共同第一作者?，F(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院周健副教授提供了第一性原理計(jì)算支持。中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所胡建波研究員團(tuán)隊(duì)提供了實(shí)驗(yàn)幫助。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)和技術(shù)學(xué)院劉曉平教授、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(xué)祝世寧院士和陳延峰教授對(duì)本工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。該項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上等基金項(xiàng)目的資助。該研究工作還得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。