[论文解读] 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 4

一句话总结

本文展示了高次谐波光谱技术可实现对二维陈绝缘体（特别是Haldane模型）中拓扑相变的全光、超快探测。通过测绘非线性光学响应，作者实验上识别并表征了拓扑 trivial 与非平庸相之间的转变，提供了一种实时、非侵入式检测量子材料中拓扑不变量的方法。

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.

研究动机与目标

• 开发一种全光、超快探测量子材料中拓扑相变的方法。
• 利用非线性光学响应表征二维Haldane陈绝缘体的相图。
• 证明高次谐波产生可在无需外加磁场或复杂测量的情况下探测拓扑不变量。
• 确立高次谐波光谱作为凝聚态系统中实时观测拓扑序的可行工具。

提出的方法

• 采用高次谐波产生（HHG）作为非线性光学探针，用于探测二维陈绝缘体的电子结构。
• 利用强、超短激光脉冲驱动系统，以产生高阶谐波。
• 测量所发射谐波的偏振态与强度，以提取关于体带拓扑结构的信息。
• 分析非线性光学响应，以绘制出拓扑 trivial 与非平庸相之间的转变。
• 利用Haldane模型的理论模拟，将实验测得的HHG数据解释为与拓扑不变量相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 高次谐波光谱是否可在无需外部探针的情况下探测二维陈绝缘体中的拓扑相变？
• RQ2 在Haldane模型中，非线性光学响应如何在拓扑相边界附近变化？
• RQ3 能否从高次谐波的偏振态与光谱特性中推断出拓扑不变量？
• RQ4 HHG在实时探测拓扑序方面具有怎样的时间分辨率与灵敏度？

主要发现

• 高次谐波光谱成功映射了Haldane模型中拓扑相变区域的相图。
• 非线性光学响应在谐波发射中表现出与拓扑相变相关的显著特征。
• 高次谐波的偏振态揭示了体陈数信息，表明其为拓扑不变量。
• 该方法实现了无需外加磁场或输运测量的全光、超快拓扑序探测。