[论文解读] Lightwave topology for strong-field valleytronics

Álvaro Jiménez-Galán, Rui E. F. Silva+2 more|Figshare|Oct 16, 2019

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种鲁棒的全光学方法，利用定制的双旋光场在二维材料中实现超快、谷选择性激发，诱导拓扑弗洛凯能带结构。通过控制李萨如图形相对于晶格的取向，可在不依赖材料特性的前提下实现飞秒级谷极化的开关，实验上通过谐波手性映射验证，并在特定场强和波长下提供了光致拓扑相变的数值证据。

ABSTRACT

Modern light generation technology offers extraordinary capabilities for sculpting light pulses, with full control over individual electric field oscillations within each laser cycle. These capabilities are at the core of lightwave electronics - the dream of ultrafast lightwave control over electron dynamics in solids, on a few-cycle to sub-cycle timescale, aiming at information processing at tera-Hertz to peta-Hertz rates. Here we show a robust and general approach to valley-selective electron excitations in two-dimensional solids, by controlling the sub-cycle structure of non-resonant driving fields at a few-femtosecond timescale. Bringing the frequency-domain concept of topological Floquet systems to the few-fsec time domain, we develop a transparent control mechanism in real space and an all-optical, non-element-specific method to coherently write, manipulate and read selective valley excitations using fields carried in a wide range of frequencies, on timescales that can be much shorter than the valley lifetime, crucial for implementation of valleytronic devices.

研究动机与目标

• 在几飞秒时间尺度内实现二维材料中超快、谷选择性电子激发，克服谷态寿命短的挑战。
• 开发一种非共振、全光学的方法，实现对谷极化的相干写入、调控与读出，无需依赖材料特异性调谐或共振激发。
• 证明强非共振双旋光场可诱导类似哈尔丹模型的复第二近邻跃迁，从而改变拓扑能带结构，并通过场偏振几何实现谷控制。
• 提供一种基于亚周期场整形与贝里曲率工程的实空间透明控制机制，用于谷电子学。
• 通过全光学谐波探测实验验证谷极化，并利用门控时间依赖异常霍尔电导率在hBN中展示光致拓扑相变。

提出的方法

• 该方法采用由反向旋转的基频与二次谐波分量组成的双旋光场，生成可调谐的李萨如图形，其对称性与相对于二维晶格的取向可调。
• 李萨如图形的取向由双色光场相位φ控制，决定其对六角晶格中两个子晶格的相对耦合强度，从而诱导类似哈尔丹模型的复值第二近邻跃迁。
• 该光致跃迁改变了周期平均能带结构与贝里曲率，导致谷依赖的带隙减小及选择性多光子激发。
• 通过线性偏振探测脉冲测量谷极化，其产生奇次谐波辐射；谐波响应的手性（h = 2(I↻ - I↺)/(I↻ + I↺)）可直接映射谷不对称性。
• 利用激光周期上的门控平均计算时间依赖异常霍尔电导率（AHC），从中提取有效拓扑响应，σ̄xy(t)由瞬时布居数fₙ(k,t)与无场贝里曲率Ω(k)推导得出。
• 采用半解析模型预测有效t₂跃迁参数的条件，以预测拓扑相变发生点，并通过AHC符号变化的数值模拟结果加以验证，其变化随场强与波长变化而发生。

实验结果

研究问题

• RQ1 强非共振双旋光场是否可在hBN和MoS₂等平凡二维材料中诱导拓扑能带结构的改变，从而实现谷选择性激发？
• RQ2 双旋光场李萨如图形相对于晶格的取向如何影响诱导的复跃迁及谷极化？
• RQ3 能否仅通过驱动场的偏振几何，在几飞秒时间尺度内实现谷极化的初始化与调控，且不依赖材料细节？
• RQ4 能否通过线性偏振探测脉冲激发的谐波手性，实现谷赝自旋的全光学读出？
• RQ5 非共振光在何种条件下诱导拓扑相变？是否可通过时间平均异常霍尔电导率的符号变化检测该相变？

主要发现

• 李萨如图形相对于晶格的取向控制光致复第二近邻跃迁的幅值与相位，通过带隙减小实现选择性谷激发。
• 利用强低频圆偏振光场，实现飞秒级谷切换，其谷极性与弱场共振区相反，归因于光致电子束流效应。
• 线性偏振探测脉冲激发的谐波响应手性可直接映射谷赝自旋，提供无背景、全光学的读出方法。
• 数值模拟显示，当双旋光场强度与波长达到解析模型预测值时，门控时间依赖异常霍尔电导率（σ̄xy(t)）出现符号变化，证实了光致拓扑相变的发生。
• 该方法在广泛场强与频率范围内具有鲁棒性，无需共振调谐或材料特异性参数，可在二维材料中实现通用谷控制。
• 在hBN中，AHC符号变化发生在I_tot = 8.4 TW/cm²与λ = 4 μm处，与解析预测一致，且出现在20周期脉冲的峰值附近，证实了拓扑非平庸相的出现。