拓扑增强的碲烯超宽带巨二次谐波产生：为中红外非线性光学器件开辟新路径

《Nature Communications》：Topologically enhanced giant broadband second-harmonic generation in Weyl semiconductor tellurium

本刊推荐：为解决中红外波段二维材料非线性光学响应不足的难题，研究人员开展了Weyl半导体碲(Te)纳米片的二次谐波产生(SHG)研究。结果表明Te在1.2-5.0 μm超宽带范围内展现出巨SHG效应，转换效率比GaSe高两个数量级，提取的χ(2)谱在2.2 μm处达5.0±0.4 nm/V，该特性源于三个Weyl锥附近的带间跃迁共振，证实了拓扑增强机制。这一发现为MIR频率转换和集成非线性光学器件提供了理想平台。

　　

在纳米光子学和芯片集成光电子技术快速发展的今天，实现原子级薄层材料的强非线性光学响应成为关键挑战。特别是中红外波段（MIR，通常指2.5-25 μm波长范围），在气体传感、遥感、自动驾驶和生物医学成像等领域具有不可替代的优势，却长期面临合适非线性材料的匮乏。传统块状晶体如GaSe虽在MIR有一定非线性效应，但受限于三维共价键结构、较大的光-物质相互作用体积和复杂的相位匹配要求，难以满足微型化器件的需求。而原子层薄材料如过渡金属二硫化物（TMDCs）虽具备键合自由集成能力和可调非线性等优点，其非线性转换效率却因有限的相互作用长度和不足的二阶非线性磁化率（χ⁽²⁾）而难以提升。更严峻的是，现有研究大多局限于可见光到近红外（NIR）区域，MIR波段的高效二次谐波产生（SHG）材料几乎空白。

与此同时，拓扑材料理论提出Berry相位可增强非线性光学响应，为高效非线性转换提供了新思路。Weyl半金属如TaAs虽在2017年报道了较大的SHG响应，但后续研究证实其源于高能共振尾迹，与低能Weyl费米子无直接关联。而新近确立的Weyl半导体碲（Te）在NIR区域（0.7-2.5 μm）已展现出优异的SHG性能，但实验测量限于NIR或MIR边界波长，且理论解释存在争议，拓扑性质对SHG的影响仍不明确。

在此背景下，湖南大学、北京大学等机构联合团队在《Nature Communications》发表了题为"Topologically enhanced giant broadband second-harmonic generation in Weyl semiconductor tellurium"的研究论文。该研究通过水热法合成Te纳米片，系统表征了其从NIR到MIR（1.2-5.0 μm）的超宽带SHG响应。实验发现Te纳米片的SHG转换效率比传统MIR非线性晶体GaSe高两个数量级，绝对转换效率达0.002%（峰值激发强度15 GW/cm²，2 μm激发），与NIR最佳材料NbOI₂相当。提取的χ⁽²⁾谱显示三个特征峰（W₁、W₂、W₃），分别对应三个不同Weyl锥附近的带间跃迁能量，证实了拓扑增强机制。理论计算进一步揭示了Berry连接在Weyl点附近对非线性响应的关键贡献。

关键技术方法包括：通过水热法合成Te纳米片并转移至SiO₂/Si基底；搭建基于钛蓝宝石再生放大器的SHG测量系统，覆盖1.2-5.0 μm激发波长；采用转移矩阵法和格林函数技术提取χ⁽²⁾；基于密度泛函理论和Wannier函数进行能带结构与非线性磁化率的数值计算。

Basic characterization and anisotropic SHG responses

Te纳米片具有P3₁21或P3₂21空间群结构，其一维螺旋原子链通过范德华力组装（图1a）。SHG测量显示在1.2-5.0 μm范围内均观察到清晰信号（图1c），空间映射证实样品具有完美单晶质量和均匀厚度（图1d,e）。功率依赖实验显示斜率1.93，符合二阶非线性过程的二次方特征（图1f）。偏振测量表明SHG信号始终沿晶体a轴线性偏振，与对称性分析一致（图1g）。

Giant broadband SHG responses

与GaSe和TaAs对比表明，Te的SHG强度高2-3个数量级（图2a），波长越长优势越显著（图2b）。厚度依赖研究显示SHG信号随厚度单调递减（图2c），通过传输矩阵法拟合得到χ⁽²⁾值（1.2 μm：0.7±0.08 nm/V，1.6 μm：2.5±0.08 nm/V，2.0 μm：3.5±0.23 nm/V）（图2d）。Te的χ⁽²⁾谱在宽波长范围内显著优于其他非线性材料（图2e）。

Contribution of Berry connection to the SHG response

χ⁽²⁾谱在SH能量1.12 eV处出现峰值（5.0±0.4 nm/V，标记为W₂），在0.78 eV（W₁）和1.34 eV（W₃）处呈现肩峰（图3a）。这些特征与Te的三个Weyl点（W₁、W₂、W₃）的跃迁能量精确对应（图3b）。Berry连接计算显示沿H-L高对称路径的极大振幅（图3c），证实拓扑能带结构对非线性响应的增强作用。

Numerical simulation of the SHG response

理论计算显示，考虑p型掺杂（E_f = -10 meV）和能弛豫时间修正后，与实验数据高度吻合（图4a-c）。k空间分辨SHG计算表明，主要贡献区域位于Weyl点W₁和W₂之间的H-L线上（图4d-f），热点位置与巨大Berry连接区域对齐，证实拓扑能带结构对非线性光学响应的本质影响。

研究结论表明，Weyl半导体Te在覆盖MIR的超宽带范围内展现出巨大的、各向异性的SHG响应，其转换效率比传统MIR非线性晶体GaSe高两个数量级。这一特性源于三个Weyl锥在导带和价带中的联合贡献，通过Berry连接的拓扑增强机制实现。该发现不仅为MIR非线性转换提供了高效材料平台，特别是针对芯片集成应用，更通过确凿的实验和理论分析证实了拓扑增强SHG响应，为通过拓扑量子工程探索更强非线性光学响应开辟了新途径。Te纳米片的本征巨大、高度各向异性和超宽带SHG响应，为中红外频率转换和先进非线性光学器件提供了前所未有的多功能性和效率。