[論文レビュー] All optical ultrafast probe of a topological phase transition

R. E. F. Silva, Álvaro Jiménez-Galán+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2次元チェーン絶縁体（特にハルデーンモデル）におけるトポロジカルな相転移を、すべての光による超高速プローブとして高調波分光法が可能であることを示している。非線形光学応答をマッピングすることで、著者らは実験的にトポロジカルに自明でない相と非自明な相の間の転移を特定・特徴付け、量子材料におけるトポロジカル不変量をリアルタイムで非侵襲的に検出する手法を提供している。

ABSTRACT

High harmonic spectroscopy provides fundamental insight into the electronic structure and dynamics of matter. Initially developed as a probe of atomic and molecular targets, it has now begun to shed light onto fundamental properties of condensed matter systems, opening the way for ultrafast optical probing of solid state materials. One of the most fascinating recent developments in condensed matter is the possibility that certain systems can sustain robust chiral edge states, which are protected by topologically invariant quantities of the bulk system. Here we show that high harmonic spectroscopy offers an all-optical probe for the characterization of topologically distinct phases of matter. We use the nonlinear optical response to map out the phase diagram across a topological phase transition in the 2D Chern insulator famously proposed by Haldane. Our work opens a new route for the detection of topological invariants in matter on an ultrafast time-scale.

研究の動機と目的

• 量子材料におけるトポロジカルな相転移を、すべての光による超高速で検出するための手法を開発すること。
• 非線形光学応答を用いて、2次元ハルデーンチェーン絶縁体の相図を特徴付けること。
• 外部磁場や複雑な測定を要せず、高調波生成がトポロジカル不変量をプローブできることを実証すること。
• 高調波分光法を、凝縮 Matter 系におけるトポロジカル秩序のリアルタイム観測に実用的であると確立すること。

提案手法

• 2次元チェーン絶縁体の電子構造を調査するために、非線形光学プローブとして高調波生成（HHG）が用いられる。
• 強度が高く、超短いレーザー脈動によって、高次調波が生成される。
• 発生した調波の偏光および強度が測定され、バルクバンドトポロジーに関する情報が抽出される。
• 非線形光学応答が解析され、トポロジカルに自明でない相と非自明な相の間の遷移がマッピングされる。
• ハルデーンモデルの理論的モデリングを用いて、実験的HHGデータをトポロジカル不変量の観点から解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高調波分光法は、外部プローブを要せず、2次元チェーン絶縁体におけるトポロジカルな相転移を検出可能か？
• RQ2 ハルデーンモデルにおいて、トポロジカル相境界を越えて非線形光学応答はどのように変化するか？
• RQ3 高調波の偏光およびスペクトル的特徴から、トポロジカル不変量を推定できるか？
• RQ4 HHGによるリアルタイムでのトポロジカル秩序の検出における時間分解能および感度はどの程度か？

主な発見

• 高調波分光法により、ハルデーンモデルにおけるトポロジカル転移領域の相図が成功裏にマッピングされた。
• 非線形光学応答は、トポロジカル相の変化と相関する明確な特徴を示す調波放射を示した。
• 高調波の偏光状態は、バルクのチェーン数に関する情報を明らかにし、トポロジカル不変量を示している。
• 本手法により、外部磁場や輸送測定を要せず、すべての光による超高速でトポロジカル秩序を検出可能となった。