典型狄拉克材料的非线性光学性质的理论研究

Dirac materials are of great significance in the basic research of condensed matter physics. These materials include graphene-like materials, Dirac semimetal, Weyl semimetal and topological insulators, all of which have novel material properties and rich physical connotations. So far, their nonlinear optical properties have not received sufficient attention and systematic research. Nonlinear optical materials, however, have a very important role in the practical application of laser technology. Recently we have focused on the nonlinear optical properties of the Dirac material. The preliminary study demonstrates that some typical Dirac materials such as topological insulator BiTeCl, Weyl semimetal TaAs and nodal-line semimetal PbTaSe2 have unusually significant nonlinear optical response, which may have novel nonlinear optical properties and potential application value in the terahertz region. This project aims to obtain and understand the special electronic structures and optical properties of several typical Dirac materials from high-performing theoretical modelling and simulations, and then analyze the related physical properties of low-energy excitation (in particular the topological excitation) and nonlinear optical effects, and try to develop and apply them to terahertz optoelectronic technology.

狄拉克材料在凝聚态物理的基础研究中具有非常重要的意义。这些材料包括类石墨烯材料、狄拉克半金属、外尔半金属和拓扑绝缘体，它们都具有新颖的材料性质和丰富的物理内涵。但是，迄今为止，其非线性光学性质并未获得足够的关注和系统的研究，而非线性光学材料在激光技术的实际应用中具有十分重要的作用。最近我们关注到了狄拉克材料的非线性光学性质。初步的研究发现，一些典型狄拉克材料比如拓扑绝缘体BiTeCl、外尔半金属TaAs和节点-线半金属PbTaSe2等具有异常显著的非线性光学响应，其在太赫兹波段可能具有新颖的非线性光学性质和潜在的应用价值。本项目旨在从严谨的理论分析和高性能的理论计算出发，获得和理解几种典型狄拉克材料的特殊电子结构和光学性质，进而分析其低能激发（尤其是与拓扑相关的激发）与非线性光学效应的相关物理特性，并尝试将其发展和应用到太赫兹光电技术领域。

狄拉克材料的非线性光学性能研究对其在太赫兹波段的光电器件应用具有重要意义。本项目主要研究几种典型狄拉克材料及其极性相关材料的二阶非线性光学性质和等离激元性能。基于合作开发的二阶非线性光学系数计算代码，本项目定量研究了三维和二维BiTeX（X=Cl,Br,I）自旋轨道耦合体系的二阶非线性光学效应及其调控机理，发现随着应变或者层数的改变，其会发生一个由拓扑相变所引起的二次谐波效应的符号反转。同时，对于具有极性孤对电子的二维ASnX（A=Na,H;X=N,P）体系，本项目研究发现ASnX呈现了较单层MoS2更强的二次谐波效应，这主要是由Sn2+孤对电子的强极性效应所导致的。此层状结构与MoS2进行范德华异质结，可以形成一个狄拉克点状能带结构，具有巨大的二次谐波响应。另外，本项目也合作研究了狄拉克体系的等离激元效应，发现一维拓扑电导化合物A3CrN3（A=Sr,Ba）系列的狄拉克节点面能带结构可以产生在太赫兹波段随电子密度稳恒变化的独特等离激元效应。这些发现对于深入理解狄拉克材料的非线性光学性质和等离激元性能具有重要的参考意义。