基于量子材料体系的新型量子自由度和拓扑态的光场调控

In this project, the quantum degrees of freedom and topological properties of the novel quantum materials will be explored to provide the control of the light field in multiple dimensions (such as frequency, polarization, phase, orbital angular momentum, spatial mode, etc.). In addition to this, we will also study the various quantum degrees of freedom and topological states of quantum materials using the control of light field in multiple dimensions, which provides new approaches for the manipulation of related quantum states in quantum materials. Here, we mainly propose to manipulate the light field through two-dimensional materials and Dirac/Weyl semi-metals, together with their Van der Waals heterostructures. On one hand, we will focus on the light field control at special wavelength (Mid/Far-infrared/Terahertz) and ultrafast timescale. These include light polarization control through novel quantum degrees of freedom such as valley, and Fermions with chirality; frequency conversion through high harmonic generation the control of berry phase. On the other hand, employing light field with multiple dimensional control, such as high order orbital angular momentum light field, high speed polarization modulated light field, novel topologic properties of quantum materials can be probed and manipulated with light field. These would provide new principles and approaches for light field manipulation through the interaction with novel quantum degrees of freedom and topologic states of quantum materials.

本项目拟探索利用新型量子材料的量子自由度和拓扑特性对光场的各个维度（如频率，偏振，相位，轨道角动量，空间模式等）进行调控。同时，利用特殊维度调控产生的新型光场对新型量子材料的特殊量子自由度和拓扑态的进行研究，为相关的量子态的光场操控提供新的途径。基于此，我们主要针对近年来所发现的以二维材料和狄拉克/外尔拓扑半金属为代表的新型量子材料体系及其异质结构开展光场调控研究。一方面关注于特殊波段范围（中远红外和太赫兹波段）和超快时间尺度下的光场操控的研究，例如利用能谷等量子自由度，拓扑手性费米子控制光场的手性，利用贝里曲率对高次谐波产生的影响调控光场的频率转化。另一方面，利用多维调控产生的新型光场，如高阶角动量光场，高速周期性偏振调制光场等，通过探测材料的圆偏振光电流效应来探索手性费米子等新型的拓扑相关的特性。揭示调控光场与新型材料量子自由度相互作用的新现象与新规律，为光场操控提供新机理和新途径。

在本基金的资助下，我们按计划通过调控光场多个维度（如频率，偏振等）对包括拓扑狄拉克/外尔半金属和二维材料在内的新型量子材料开展研究。三年来，研究进展顺利，已完成了研究目标。该项目执行期间我们发现了在外尔半金属中可以通过贝里曲率对位移电流的增强效应来获得有效的电荷分离，解决了半金属光电探测中的一个主要瓶颈问题；提出利用三阶非线性效应结合光场的手性和电场对外尔半金属中的手性载流子进行调控，是手性费米子的新的光场调控途径；将拓扑半金属的拓扑效应用于高性能光电探测是原创性的思想。相关研究成果以学术论文的形式发表,共发表SCI收录论文12篇，其中高影响因子（IF>12）的文章7篇，包括Nature Materials 2篇，Nature Nanotechnology 1篇，Nature Communications 1篇， Advanced Materials 1 篇，ACS Nano 2篇。相关成果受到了广泛的关注和引用，其中2019年Nature Materials上发表的文章被选作封面文章。 .主要的研究成果有：.1)、拓扑半金属和光场相互作用的研究和基于拓扑外尔半金属的光场调控的实现,包括基于拓扑外尔半金属材料的光电转化机理和光电器件的超快响应的研究。尤其是在研究一些拓扑效应对光电转化的影响方面有重要的发现：包括拓扑半金属材料中贝里曲率对位移电流的增强效应、对称性对边界电流的产生的影响等；提出利用三阶非线性效应结合光场的手性和电场对外尔半金属中的手性载流子进行调控，是手性费米子的新的光场调控途径；.2)、其他量子材料体系光电转化机制的研究，包括基于弹道雪崩现象实现性能优异的中红外弹道雪崩光电探测器，以及第二类狄拉克半金属和拓扑近藤绝缘体的光电探测能力研究等；.3)、量子材料体系在光场激发下的动力学过程及基于光场的超快调控的研究，包括黑磷各向异性的磁光调控、单层PtSe2/MoSe2范德瓦斯异质结构中的超快电荷转移和InSe多层膜的载流子动力学等。