Advanced Materials:光子在原子级拓扑表面态中的“穿越”——拓扑半金属单晶表面非线性光学

非线性频率变换是实现激光波长拓展的重要技术。由非线性光学基本概念可知,其转换效率依赖于晶体的非线性系数的大小和光与晶体的作用长度,因此,原子级表面往往具有转换效率低的特点,而其表面处的对称破缺往往使得晶体具有各类非线性光学响应,在集成光学等领域有重要的需求,对表面非线性光学的研究一直是非线性光学和材料领域的研究热点。近年来,拓扑半金属由于其非平庸的体块态以及无能隙的拓扑表面态引起了人们极大的研究兴趣,其拓扑表面态可能具有大的非线性光学响应,相关突破可能会促进表面非线性光学的发展。

近期,山东大学晶体材料国家重点实验室于浩海教授、张怀金教授课题组与中科院物理所王刚研究员以及中科院理化所林哲帅研究员合作探索了拓扑半金属ZrSiS晶体的表面非线性光学响应。通过研究晶体的非线性二次谐波和三次谐波的偏振依赖性,发现谐波强度的各向异性与表面态的对称性一致。同时,实验证实了ZrSiS晶体具有巨大的二阶及三阶非线性光学系数,远远高于传统的非线性光学晶体,如ZrSiS晶体的二阶非线性光学系数是β-BaB2O4的约1000倍。在频率转换方面,ZrSiS晶体表面的二次谐波和三次谐波转换效率高于普通半导体表面的二次谐波转换效率约10个数量级,突破了非线性光学中高转换效率依赖于大尺寸晶体材料的认识,为高效率、高集成非线性光学器件的设计提供了新的思路。该团队进一步通过第一性原理计算定量分析了体能带和表面能带对二阶非线性光学系数χ(2)的贡献,发现靠近费米能级的表面电子能带对χ(2)的贡献超过60%,起到了决定性作用,而费米能级以下体能带中的狄拉克锥对χ(2)的贡献基本可以忽略不计,从而证实ZrSiS晶体巨大的非线性光学响应来源于其拓扑表面电子态。这项工作不仅证实了拓扑半金属ZrSiS晶体表面态巨大的非线性光学响应,也揭示了拓扑表面态与非线性光学效应之间的构效关系。同时,非线性谐波观测技术作为一种高效、无损的光学“探针”,在未来的拓扑材料、量子材料、强关联材料的物性研究中将扮演重要的角色,成为探究凝聚态表面、界面光子-电子相互作用的有效手段。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904498)上。