拓扑绝缘体范德瓦尔斯超材料实现太赫兹频域二次与三次谐波生成的突破

为解决太赫兹(THz)高频谱窗口难以覆盖的难题，研究人员利用拓扑绝缘体(TI)基范德瓦尔斯异质结构与裂环谐振器(SRR/DSRR)结合，首次在6.4(even)-9.7(odd) THz范围实现了由体态中心对称性(奇次谐波)和拓扑表面态对称性破缺(奇偶次谐波)共同驱动的频率上转换，为开发紧凑型太赫兹光源提供了新范式。

　　

在太赫兹科学技术领域，如何高效产生高频太赫兹辐射一直是制约其应用的瓶颈问题。传统固态激光技术难以覆盖6-12 THz频段，这一频谱窗口因III-V族材料的光学声子吸收（Restrahlenband效应）而长期处于技术空白状态。尽管石墨烯等狄拉克材料(Dirac Materials)展现出巨大的三阶非线性效应，但其中心对称特性仅允许奇次谐波产生，且需要极高功率驱动。拓扑绝缘体(Topological Insulators, TIs)因其独特的拓扑表面态(Topological Surface States, TSS)和体态绝缘特性，被理论预测可同时支持奇偶次谐波，但实验上始终未能实现可区分的谐波信号，主要源于体态与表面态载流子的复杂相互作用以及材料制备的挑战。

针对这一难题，来自意大利国家研究委员会纳米科学研究所和英国利兹大学的研究团队在《Light-Science & Applications》发表了突破性研究。他们创新性地将分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)生长的Bi₂Se₃和(In_xBi_(1-x))₂Se₃/Bi₂Se₃范德瓦尔斯异质结构与金属裂环谐振器(Split Ring Resonator, SRR)相结合，通过谐振器的场增强效应成功激活了拓扑表面态的二阶非线性响应，首次在太赫兹频段实现了同时包含二次谐波(SHG)和三次谐波(THG)的频率上转换。

研究团队采用多项关键技术：首先通过MBE技术制备了高质量Bi₂Se₃薄膜（20 nm）和(In_xBi_(1-x))₂Se₃/Bi₂Se₃异质结构（样本H1和H2），其中缓冲层设计有效抑制了界面缺陷态形成；利用微纳加工制备了单/双裂环谐振器阵列（SSRR/DSRR），通过有限元法(FEM)仿真优化了谐振频率与场增强因子；采用太赫兹量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)作为泵浦源（3.25 THz，2.5 W峰值功率），结合步进扫描傅里叶变换红外光谱(FTIR)系统检测谐波信号；通过低温磁输运测量和显微拉曼光谱对材料拓扑特性与晶体质量进行了系统表征。

Bi₂Se₃裂环谐振器：设计、制备与表征

研究人员首先设计了工作于3.25 THz的圆形单裂环谐振器(SSRR)，通过有限元仿真预测其在裂解间隙处可产生超过一个数量级的电场增强（放大因子A_G>10）。

实验制备的SSRR阵列通过PMMA辅助转移技术将Bi₂Se₃精确集成到裂解间隙区域，拉曼光谱证实转移后材料仍保持良好晶体质量。时域光谱(TDS)测试显示谐振器具有明显的偏振依赖特性，Bi₂Se₃的引入导致谐振频率蓝移0.20 THz且共振强度减弱22%，这源于狄拉克载流子对金属谐振器的电磁屏蔽效应。

外泵浦Bi₂Se₃/SSRR阵列的三次谐波生成

当用QCL泵浦SSRR阵列时，仅在偏振平行于裂解间隙偶极方向时检测到9.75 THz的三次谐波信号，转换效率达(1.3±0.3)×10^-5，与石墨烯体系相当。理论模型分析表明，该过程主要由拓扑表面态狄拉克载流子的热电子动力学驱动，体态载流子通过表面-体库仑相互作用提供了超快耗散通道，反而增强了非线性响应。

数值仿真与实验结果高度吻合，证实谐振器场增强是实现高效THG的关键。

(In_xBi_(1-x))₂Se₃/Bi_Se异质结构中的二次与三次谐波生成

为激活二次谐波，研究团队设计了基于(In_xBi_(1-x))₂Se₃缓冲层的范德瓦尔斯异质结构。H1样本为30 nm (In_xBi_(1-x))₂Se₃/20 nm Bi₂Se₃，H2样本为对称的三层结构。低温磁输运测量显示两者均存在弱反局域化效应和多载流子输运特性。通过优化设计双裂环谐振器(DSRR)，电场增强区域扩展到多个热点，场增强因子达~10²。

实验结果表明，DSRR阵列在H1和H2样本中均观察到清晰的SHG（6.42 THz）和THG（9.63 THz）信号，转换效率分别达3.5×10^-5和2.7×10^-5。

讨论与结论

本研究通过能带工程与谐振器设计的巧妙结合，成功解决了拓扑绝缘体中层间耦合抑制对称性破缺的难题。实验测得的三阶非线性磁化率χ⁽³⁾达10^-9 m²/V²，与石墨烯相当且比传统太赫兹QCL半导体异质结构高7个数量级。特别值得注意的是，在体态贡献更强的H1样本中同样观测到SHG，表明可能存在红外活性声子辅助机制增强偶次非线性效应。

该研究首次在实验上证实了拓扑绝缘体范德瓦尔斯异质结构可同时产生奇偶次谐波，为开发紧凑型太赫兹光源提供了全新材料平台。产生的6-12 THz相干辐射可应用于烃类分子振动光谱、量子光学和纳米光谱学等前沿领域。未来通过将这种新型材料系统与单片集成QCL结合，利用腔内功率增强效应，有望进一步提升谐波转换效率，最终解决太赫兹频段长期存在的"技术空白"问题。