光物理学：トポロジカル絶縁体における調整可能な非整数倍の高次高調波生成

強い光波が固体を通して電子を加速させると、高次高調波（HH）放射が生じてその固体物質に関する重要な知見をもたらす。動的なブロッホ振動、準粒子衝突、バレー擬スピンスイッチング、ディラック気体の加熱などのサブ光サイクルダイナミクスは、従来型固体のHHスペクトルに明確な特徴を残す。不完全性に対してロバストな不変量を持つトポロジカルに非自明な物質では、非従来型のHH生成が起こると予測されている。今回我々は、三次元トポロジカル絶縁体であるテルル化ビスマスにおいてHH生成を実験的に実証する。テラヘルツ駆動場の周波数によって、バルクのHH発生とトポロジカル表面のHH生成が明確に区別され、トポロジカル表面では、スピン–運動量ロッキングに起因する長い散乱時間と準相対論的分散の独特な組み合わせによって、非常に効率の良いHH生成が可能になる。興味深いことに、観測された全ての次数は、駆動場のキャリアエンベロープ位相を量子論に従って変化させることで、駆動周波数の任意の非整数倍に連続的に変えることができる。非自明なトポロジーを根拠とする異常ベリー曲率は、ディラックフェルミ粒子の蛇行するバリスティック軌道を強制し、これによって、こうしたHH放射の特徴である偏光パターンが生じる。今回の研究は、高強度場制御におけるトポロジーと相対論的量子物理を調べるプラットフォームをもたらすとともに、赤外周波数における非散逸トポロジカルエレクトロニクスにつながる可能性がある。

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