بر خلاف عمده مواد متداول، عایق‌های توپولوژی تحت تاثیر نور لیزری قطبیده دایره‌ای قادر به تولید هارمونیک هستند. این یافته پنجره جدیدی از ویژگی‌های الکترونی سطحی این مواد باز می‌کند.

در طول دهه گذشته، محققان تنوعی از تکنیک‌ها را در جهت فهم ویژگی‌های برجسته عایق‌های توپولوژي، موادی شگفت که از درونِ بالک عایق هستند ولی سطوحی رسانا دارند، را امتحان کرده‌اند. در رهیافت اپتیکی جدیدی بنام تولید هارمونیک‌های بالا (HHG) محققان آزمایشگاه شتابگر ملی SLAC در کالیفرنیا فرآیند تولید هارمونیک‌های بالا را در عایق توپولوژی بیسموت سلنید مدل‌دهی کرده‌اند که بر مبنای آن سطح و بالک ماده به طور متفاوتی نسبت به نور قطبیده خطی و دایره‌ای واکنش نشان می‌دهند [1].

این تحقیق مسیر جدیدی را در جهت روبش عایق‌های توپولوژی و رفتارهای غیر معمول‌شان پیشنهاد می‌کند. در HHG یک باریکه نور لیزری قوی، در اثر برهمکنش با محیط منجر به خلق هارمونیک‌های بالا- نوری شامل ضرائبی از فرکانس ورودی- می‌شود. سطح و بالک بیسموت سلنید هر یک هارمونیک‌هایی با مشخصه‌های منحصر بفردی تولید می‌کنند. محققان از این تمایز استفاده کرده‌اند تا به شناسایی عوامل تعیین کننده در هارمونیک‌های تولید شده بوسیله عایق‌های توپولوژی بپردازند. هارمونیک‌های بالابیشتر در محیط های همگن و مواد متداول و به کمک نور قطبیده خطی و نه قطبیده دایره‌ای تولید شده‌اند. پیروی بیسموت سلنید از این قانون توسط این محققان تایید شد. آنها همچنین دریافتند که تابش نور قطبیده دایره‌ای به سطح این ماده منجر به تولید هارمونیک می‌شود. به بیان آنها این رفتار شگفت اور احتمالا ناشی از حرکت دایره‌ای القا شده به الکترون‌ها از طریق نور به روی سطح عایق توپولوژي است. مطالعات بیشتری از این دست از برهمکنش‌ها می‌تواند به درک کامل‌تری از رفتار غیر معمول از ویژگی‌های الکترونی سطحی این مواد منجر شود. این مطالعات به محققین توانایی القای ویژگی‌های توپولوژي در مواد "عادی" از طریق اعمال یک میدان الکترومغناطیسی مناسب را می دهد.

D. Baykusheva et al., “Strong-field physics in three-dimensional topological insulators,” Phys. Rev. A 103, 023101 (2021)

مرجع: Investigating Topological Insulators with High Harmonics