Topological Insulator Metamaterial with Giant Circular Photogalvanic Effect
拓扑绝缘体的电子性质的最显著表现之一是光电流方向对圆偏振光激发的螺旋度的依赖性。螺旋度依赖的光电流，支撑表面狄拉克电子的自旋动量锁定，是弱的，很容易被批量的贡献。在这里，我们表明，手性响应可以通过纳米结构增强。共振纳米结构中的电磁场的严格限制增强了拓扑绝缘体Bi 1.5Sb 0.5Te 1.8Se 1.2的自旋极化表面态的光激发，导致圆形光电流效应增加了11倍，并且在室温下具有前所未有的光电流二向色性（\r{ho} circ=0.87）。通过结构设计控制拓扑材料中的自旋输运是超材料先前未被认识到的能力，其弥合了纳米光子学和自旋电子学之间的差距，为开发偏振敏感光电探测器提供了新的机会。
2020-08-20 physics.app-ph physics.optics
Giant linearly-polarized photogalvanic effect and second harmonic generation in two-dimensional axion insulators
二阶非线性光学（NLO）过程，如光电流效应和二阶谐波产生（SHG），在探测和控制能量和器件应用中的光-物质相互作用中起着至关重要的作用。迄今为止，大多数二阶非线性光学过程的研究集中在空间反演对称性破缺的材料，如正常铁电体和非中心对称Weyl半金属。然而，舒布尼科夫群的反转对称性可以通过中心对称晶体中的自旋有序而被打破。不幸的是，这些材料不太常见，并且它们的NLO响应通常很弱。结合量子微扰理论和第一性原理模拟，我们预测了一个巨大的注入电流光电流效应和SHG在新兴的轴子绝缘体，甚至七层MnBi 2 Te 4（MBT）材料，表现出零平台量子反常霍尔（QAH）效应的家庭。它们的注入电流和二次谐波的幅度比广泛使用的铁电体，如BiFeO 3和LiNbO 3大两个数量级。此外，与通常在圆偏振光下观察到的注入电流不同，MBT的注入光电流仅在线偏振光下出现，这使得其便于器件应用。这些独特的特征来自宇称时间对称性、三重旋转对称性和显著的自旋轨道耦合的组合效应。这些增强的NLO效应对于表征QAH系统中的精细拓扑顺序是有价值的，并且还为基于磁性拓扑材料的新型红外光电探测器和光伏应用提供了启示。
2020-03-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Generation and manipulation of chiral terahertz waves emitted from the three-dimensional topological insulator Bi2Te3
在宽带太赫兹波的任意操控下，利用灵活的偏振整形技术，在成像、信息加密、太赫兹非线性现象的全光相干控制等方面具有广阔的应用前景。拓扑绝缘体具有独特的自旋-动量锁定表面态，在太赫兹辐射、探测和调制等方面具有广阔的应用前景，为未来基于片上拓扑绝缘体的太赫兹系统奠定了基础。然而，基于拓扑绝缘体的具有任意操纵的幅度和电场矢量方向的时间演化的规定方式的偏振成形太赫兹发射尚未被探索。本文系统研究了飞秒激光脉冲驱动下拓扑绝缘体Bi 2 Te 3纳米薄膜的太赫兹辐射，成功实现了手征性、椭圆率和主轴可控的高效手征太赫兹波的产生。手征太赫兹波的方便工程解释为光电流效应引起的光电流，而线性极化太赫兹波起源于线性光电流效应引起的移位电流。我们相信我们的工作不仅有助于进一步理解光-物质相互作用中超快自旋流的飞秒相干控制，而且还提供了一种有效的方法来产生自旋极化的太赫兹波，并加速扭曲的太赫兹波在源头的扩散。
2020-08-06 physics.app-ph physics.optics
Symmetry breaking and circular photogalvanic effect in epitaxial Cd$_x$Hg$_{1-x}$Te films
本文报道了在Cd-$_x$-Hg-$_{1-x}$-Te合金中观察到的对称性破缺和圆形光电流效应。我们表明，用圆偏振太赫兹辐射照射体外延膜导致圆形光电效应（CPGE）产生的光电流，其方向反转后切换的光子螺旋。这种效应在块状锌镉晶体中被对称性参数所禁止，因此，它的观察表明，要么是块状材料的对称性降低，要么是在低镉浓度的材料中形成的拓扑表面态中激发了光电流。我们表明，体状态起着至关重要的作用，因为CPGE也清楚地检测到在样品中的非反转能带结构。我们认为，应变是对称性约化的一个原因。我们开发了一个理论的CPGE表明，光电流的结果从不同的途径，有助于自由载流子吸收（德鲁德样）的单色辐射的量子干涉。
2019-11-05 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Optical-pump terahertz-probe spectroscopy of the topological crystalline insulator Pb1-xSnxSe through the topological phase transition
拓扑晶体绝缘体--其性质由晶体对称性保证的拓扑绝缘体--可以潜在地为太赫兹光电子器件提供有希望的平台，因为当在异质结构中分层时，它们的性质可以根据需要进行调整。我们进行了第一次光泵太赫兹探测光谱拓扑晶体绝缘体，用它们来研究动力学的Pb 1-xSnxSe作为温度的函数。在低温下，狄拉克费米子的激发导致太赫兹传输的增加;从这种负光电导性中，提取了6 ps的子带内弛豫速率。在高温下，只有大量的费米子存在，由泵引起的自由载流子损耗减少太赫兹传输的持续时间的27 ps的带间寿命。这两种效应都存在于拓扑到平凡过渡附近的温度下。我们的实验观察提供了关键的细节Pb 1-xSnxSe的潜在应用，并提供了一个直接测量的Pb 1-xSnxSe异质结的拓扑特征。
2021-11-04 physics.optics
Instantaneous Photon Drag Currents in Topological Insulators
拓扑绝缘体材料在凝聚态物理领域得到了广泛的研究，因为其电子态的非平凡拓扑结构在表面产生了一种新的自旋极化Dirac色散。为了描述拓扑绝缘体的电动力学，理解体态和表面态载流子的相干和非相干动力学是至关重要的。我们应用太赫兹发射光谱的本征三维拓扑绝缘体材料，$Bi_{1.5} Sb_{0.5} Te_{1.7} Se_{1.3}$，阐明超快光致载流子动力学。发射的太赫兹电场强烈依赖于激发脉冲的偏振和入射角。在太赫兹辐射对方位角的依赖性中，明确地证实了三重旋转对称性。太赫兹辐射的起源应该是飞秒脉冲激发引起的瞬时光子拖曳电流。
2015-03-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Dynamically Babinet-invertible metasurface: a capacitive-inductive reconfigurable filter for terahertz waves using vanadium-dioxide metal-insulator transition
本文提出了一种可重构的平面超材料，可以利用其组成材料的电导率的局部变化在电容和电感响应之间切换。该器件基于巴比涅原理，利用了金属棋盘结构的奇异电磁响应，该响应取决于局部电导率。利用二氧化钒（$\mathrm{VO}_2$）的热诱导金属-绝缘体转变，所提出的超材料被设计为补偿衬底的影响，并在太赫兹制度的实验特征。这种可重构的超材料可以用作太赫兹波的可切换滤波器和可切换移相器。
2017-02-02 physics.optics
Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials
在太赫兹频谱域中实现高效、高功率谐波产生具有技术应用，例如在第六代（6 G）通信网络中。无质量狄拉克费米子具有极大的太赫兹非线性极化率和谐波转换效率。然而，所观察到的最大产生的谐波功率是有限的，因为在增加入射功率的饱和效应，如最近所示的石墨烯。在这里，我们展示了室温太赫兹谐波产生的Bi $_2$硒$_3$拓扑绝缘体和拓扑绝缘体光栅超材料结构与表面选择性太赫兹场增强。对于75 mW的入射功率，我们获得了接近毫瓦范围的三次谐波功率-与基准石墨烯样品相比提高了两个数量级。我们建立了一个框架中，这种特殊的性能是由无质量的拓扑表面状态的热力学谐波产生的结果，受益于超快耗散的电子热通过表面-体库仑相互作用。这些结果是芯片上太赫兹（光）电子应用的重要一步。
2022-11-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Realization of a photonic topological insulator in Kagome crystals at terahertz wavelengths
拓扑系统对无序和连续扰动具有固有的鲁棒性，导致量子固体中电子的无耗散边缘传输，或以拓扑不变量为特征的经典波系统中光子和声子的无反射引导。尽管付出了相当大的努力，理论上预测的强大的，无损的能量传输在太赫兹频率下工作的拓扑绝缘体的直接实验演示需要进一步的调查，以揭示拓扑保护所实现的独特属性的肯定光。在这里，我们介绍了Kagome晶格，具有非常低的Berry曲率，但非平凡的体极化，并制作了一个光学拓扑绝缘体，提供谷霍尔效应的一类新的保序拓扑相位。理论分析表明，可以得到四种类型的边缘态。高时间分辨率THz TD的测量结果表明，在0.440 THz~0.457 THz范围内，太赫兹波沿直边和Z形边传播时，透射率几乎相同。这些结果定量地说明了由于结构的非平凡拓扑结构的后向散射的抑制。的THZ-TDs测量产生的振幅和相位信息，显示出显着的优势相比，一般的宽带红外，单波长连续波太赫兹测量和可见光谱。它允许进一步探索的有效折射率，群速度和边缘状态的色散关系。我们的工作提供了先进的控制太赫兹波的传播和操纵的可能性，并促进应用，包括第六代（6G）无线通信，太赫兹集成电路，以及芯片内和芯片间通信的互连。
2022-03-14 physics.optics
Terahertz magneto-photocurrents in the topological insulator Bi$_2$Se$_3$ probe its topological surface states
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Rutgers, The State University of New Jersey（新泽西州立罗格斯大学）；CNR-IMM, Unit of Agrate Brianza（意大利国家研究委员会材料研究所阿格里特·布兰卡扎分部）
通过太赫兹磁光电流研究拓扑绝缘体Bi$_2$Se$_3$中拓扑表面态的淬灭机制，揭示自旋-电荷转换过程。
2026-01-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Melting of excitonic insulator phase by an intense terahertz pulse in Ta$_2$NiSe$_5$
本研究探讨了Ta$_2$NiSe$_5$对太赫兹脉冲的光学响应，发现强电场通过量子隧穿诱导激子解离产生载流子，导致激子相部分熔化与金属化，且其机制不同于强光激发。
2023-09-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Coupled metamaterial-phonon terahertz range polaritons in a topological insulator
本文通过TDTS实验展示BST拓扑绝缘体声子与LC超材料光子模式的强耦合，观测到声子极化激元及约0.09的归一化耦合强度，证明可借电磁环境调控材料力学、磁与拓扑自由度。
2024-05-19 cond-mat.mes-hall physics.optics
Quantitative exploration of the absorber behavior of metal-insulator-metal metamaterials within terahertz via an asymmetric peak model
太赫兹（THz）超材料由于其独特的吸收体而被开发用于THz传感、探测、成像和许多其他功能。然而，异常的吸收光谱随着入射角的不同而变化。因此，我们设计并制作了一个具有金属-绝缘体-金属（MIM）结构超材料吸收体的焦平面阵列。利用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）测量了入射角为20 ° ~ 60 °时的吸收光谱，实验结果表明吸收光谱随入射角的变化而变化。在这项研究中，开发了一个基本的分析非对称峰模型提取吸收频率特性，定量地探讨这种变化的吸收器的行为与入射角。最好的结果是，对应于最高吸收的频率可以很容易地找到使用这个峰值模型。实验数据与非对称峰模型的验证一致。此外，第二个模型定量相关的入射角的参数被发现，允许预测的吸收光谱的位移和变化。基于二次模型的推导，预测了在特定入射角下的吸收光谱具有谷型吸收曲线。所提出的提取方法的基本特征是，它可以应用于任何基于物理的MIM超材料系统。这样的模型将指导太赫兹超材料吸收器，传感器，成像器和许多其他的设计和优化。
2022-02-25 physics.app-ph physics.optics
Robust Topological Terahertz Circuits using Semiconductors
基于拓扑绝缘体的器件可以在材料表面传输电子/光子，即使在存在障碍物的情况下也没有任何背反射。拓扑性质最近已经研究了使用非互易材料，如陀螺或使用双各向异性。然而，这些效应通常在光频率下饱和，限制了我们缩小器件的能力。为了实现拓扑器件，我们在本文中介绍的太赫兹范围内，我们表明，半导体可以利用通过它们的回旋共振结合小磁场。提出了拓扑可调谐功分器和拓扑环行器等新型太赫兹工作器件。这项工作为设计高功能的太赫兹集成器件和电路开辟了新的前景。
2016-09-22 physics.optics
In-Plane Plasmon Coupling in Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$ Thin Films
已知3D拓扑绝缘体（TI）Bi $_2$ Se $_3$的表面态在太赫兹光谱范围内具有二维狄拉克等离子体激元（DPP）。在TI薄膜中，在顶表面和底表面上激发的DPP耦合，导致声学和光学等离子体激元模式。因此，这些材料中的垂直耦合是合理的，但局部TI DPP之间的面内耦合还有待研究。在本文中，我们证明了在TI条形阵列的面内DPP耦合，并表明它们表现出偶极-偶极型耦合。耦合变得可忽略不计，其中晶格常数大于大约2.8倍的条纹宽度，这与在金属纳米颗粒或石墨烯等离子体激元上激发的局部等离子体激元的平面内耦合的结果相当。这种理解可以用于创建基于TI的元表面。
2021-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Topological Insulator Metamaterials
通过超材料范例在亚波长尺度上限制电磁场是一种既定的方法，用于在大多数常见的材料系统中设计光-物质相互作用，从绝缘体到半导体，从金属到超导体。近年来，这种方法已被扩展到拓扑材料领域，提供了一个新的途径来访问其电子能带结构的非平凡功能。在这篇综述中，我们从光子学的角度调查了各种拓扑材料类，包括晶体生长和光刻结构化方法。我们讨论了如何奇异的电子功能，如自旋选择性狄拉克等离子体极化激元在拓扑绝缘体或双曲等离子体极化激元在Weyl半金属可能会引起非常规的磁光，非线性和圆形光电效应的超材料在整个可见光到红外光谱。最后，我们详述了如何通过施加电场和磁场或超快光脉冲形式的外部扰动来动态控制这些效应。通过这些例子和未来的前景，我们认为，拓扑绝缘体，半金属和超导体超材料是独特的系统，以弥补纳米光子，电子和自旋电子技术之间的缺失环节。
2023-01-19 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Enhanced left/right asymmetry in reflection and transmission due to a periodic multilayer of a topological insulator and an anisotropic dielectric material
反射和透射中的非常弱的左/右不对称性由各向异性介电材料层顶部上的拓扑绝缘体层提供，但是通过使用两种类型材料的周期性多层可以非常显著地增强。这是实现单向太赫兹器件的一个有吸引力的前景，因为这两种类型的材料都可以使用标准的物理气相沉积技术生长。
2020-03-01 physics.optics
Quantized Integrated Shift Effect in Multigap Topological Phases
研究表明三维多能隙拓扑绝缘体可因体不变量产生量子化积分位移光电导，并以积分挠率张量与非 Abel Berry 联络解释其拓扑起源。
2024-10-28 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Recent advances in terahertz photonic technologies based on graphene and their applications
石墨烯是一种独特的二维（2D）材料，由于其非凡的光子，电子，热和机械性能而受到广泛研究。沿其表面的激发等离子体激元和其他独特的功能，预计将发挥重要作用，在许多新兴的光子技术与大幅改善和可调的功能。本文重点介绍了几种基于石墨烯的光子学现象，超越了其通常的线性响应，如非线性，主动，拓扑和非互易效应。物理机制和各种设想的光子应用相应的这些新的有趣的功能也报告。所提出的基于石墨烯的技术有望在相对未开发的太赫兹（THz）频率范围内彻底改变光子学领域。他们设想导致紧凑的谐波发生器，低功率波混频器，线性和非线性传感器，无磁隔离器和环行器，光子拓扑绝缘体，调制器，紧凑的相干光辐射源和亚波长成像设备的设计。
2021-01-14 physics.app-ph physics.optics
Ultrafast two-dimensional field spectroscopy of terahertz intersubband saturable absorbers
半导体多量子阱（MQW）结构中的子带间跃迁（ISB）是发展太赫兹（THz）可饱和吸收体的一个很有前途的候选材料。在这里，我们利用振幅和相位分辨的二维（2D）太赫兹光谱的子周期时间尺度上直接观察的饱和动力学和相干控制的ISB过渡的金属-绝缘体多量子阱结构。记录了非相干泵浦-探测信号和相干四波混频信号随单周期太赫兹脉冲峰值电场变化的清晰特征。所有非线性信号在11 kV/cm的THz电场振幅下达到显著的最大值，并且在更高的电场下降低。我们证明，这种行为是太赫兹驱动的载波拉比跳频的指纹。麦克斯韦-布洛赫方程的数值解再现我们的实验结果定量和跟踪布洛赫矢量的轨迹。这种微观模型使我们能够设计定制的MQW结构，优化的动态性能的饱和吸收体，可用于未来的紧凑型基于晶闸管的单周期太赫兹源。
2019-05-01 physics.optics
Microwave-to-Optical Quantum Transduction Utilizing the Topological Faraday Effect of Topological Insulator Heterostructures
针对微波-光波量子转换效率低的问题，本文提出利用拓扑绝缘体薄膜的厚度无关拓扑法拉第效应增强光-磁振子耦合，理论上将Bi2Se3/YIG异质结构的转换效率提升至10^-4量级。
2024-07-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el physics.optics
Spin-momentum locked interaction between guided photons and surface electrons in topological insulators
电子和光子的传播可以分别具有自旋-动量锁定效应，该效应将自旋与线动量相关联。对于三维拓扑绝缘体（TI）中的表面电子，它们的自旋被锁定在输运方向上。对于光纤和光子波导中的光子，它们携带横向自旋角动量（SAM），其也被锁定到传播方向。在自旋简并度提升的TI中，电子自旋和光学自旋之间存在直接联系，导致光学跃迁的自旋依赖选择规则，并导致循环光电流效应（CPGE）等现象。在这里，我们展示了一个光电子器件，集成了一个TI与光子波导。波导的横磁（TM）模式中的光子（其携带横向SAM）与Bi 2Se 3层中的表面电子之间的相互作用产生定向的自旋极化光电流。由于光学自旋-动量锁定，该器件以非互易方式工作，使得改变光传播方向使光子自旋反转，从而使TI中的光电流方向反转。这种新型器件提供了一个定向界面，直接将光子传播路径转换为TI中光激发表面电流的方向和自旋极化。它代表了一种实现电子和光子之间耦合自旋轨道相互作用的新方法，并可能在光自旋电子学和量子信息处理中产生重要的应用。
2017-10-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
Terahertz Plasmonic Transport in Topological Valley Metal-slabs
本文提出基于超薄金属板的Kagome光子绝缘体，通过旋转空气孔打破对称性实现太赫兹拓扑谷输运，验证了鲁棒波导和正负折射，为紧凑光子集成提供新途径。
2024-09-19 physics.app-ph physics.optics
Actively tunable terahertz electromagnetically induced transparency analogue based on vanadium-oxide-assisted metamaterials
近年来，相变材料因其可动态调谐的光学特性而受到人们的广泛关注。在这里，我们研究了基于太赫兹（THz）超材料集成钒氧化物（VO 2）的电磁感应透明（EIT）模拟的主动控制。利用VO 2的绝缘体-金属跃迁，可以对EIT峰的幅度进行有效的调制。同时透明窗内的群延迟也可以动态调节，实现慢光效果的主动控制。此外，我们还引入了独立可调的透明峰以及群延迟的双峰EIT具有良好的调谐性能的基础上。最后，基于宽带EIT，实现了EIT峰值品质因数的有源调谐。这项工作引入了更多的自由度，采用VO 2的有源EIT控制，并可以找到潜在的应用在未来的无线和超快太赫兹通信系统的多通道滤波器，开关，间隔，逻辑门和调制器。
2019-05-25 physics.app-ph physics.optics
