拓扑绝缘体：一种新奇的光学-微波吸收材料

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(Nanowerk亮点) 2012年，Nanowerk亮点报道了石墨烯的宽带非线性光学响应，并且预测，一系列基于石墨烯的新奇微波器件将问世(见：The rise of graphene in microwave photonics)。

近年来，一种新的狄拉材料-拓扑绝缘体进入研究者的视野，其电子激发可以由相对Dirac或Wely方程来描述。拓扑绝缘体其体态拥有较小的带隙，然而表面态却拥有无能隙的金属态。

拓扑绝缘体表面态允许自旋偏振电子运输，并阻止由电子脱离轨道引起的与能量损耗相关的散射。

除了在下一代电子器件中的潜在应用价值，由于独特的低电子损耗特性，拓扑绝缘体也将在光学领域产生巨大的变革。

正如预期，基于石墨烯的器件，比如光电探测器、宽带石墨烯调制器以及偏振器，都被成功研制出来。由于石墨烯跟拓扑绝缘体的相似性，一系列有趣的问题也被提出来：拓扑绝缘体是否能应用于光器件中？拓扑绝缘体是否跟石墨烯一样表现出宽带非线性光学及微波响应？是否能研制出基于拓扑绝缘体的光学、微波器件？

最近，中国一个由张晗和文双春教授领导的二维材料光学研究团队，首次从实验上证明了拓扑绝缘体将是一种新奇的微波吸收材料。

这个新的发现报道在最近的Optical Materials Express上 ("Broadband optical and microwave nonlinearresponse in topological insulator")，研究表明，拓扑绝缘体不仅在光波段拥有可饱和吸收特性，甚至是微波/太赫兹波段也表现出可饱和吸收特性。

在他们的实验中，研究者采用了光学倍频的方法来产生高质量的微波/太赫兹波信号。通过改变射频时钟源，得到频率从96 GHz到100 GHz的可调微波源。通过控制衰减器，使辐射的微波功率控制在20μW到500μW，保证了输出微波功率在宽范围可调节及在不同功率下测量拓扑绝缘体的微波透射率。

实验结果显示，在100GHz频率，拓扑绝缘体归一化的调制深度及饱和吸收强度分别为~70% 和~10μW/cm²。并且采用Z扫描的方法在光波段对拓扑绝缘体的可饱和吸收特性进行了研究。同一个样品，在800nm以及1570nm波段均表现出了可饱和吸收特性，饱和强度为6.02 GW/cm²和0.13 GW/cm²，调制深度为23.5%和21%。

从拓扑绝缘体的无质量金属表面态来看，表面态的电子在微波光子的吸收方面扮演了重要的角色，由于微波光子位于表面金属态的吸收带内。因此，拓扑绝缘体表面态的狄拉克角结构保证了在100GHz附近对微波光子的吸收。

这些也表明，相比于石墨烯，拓扑绝缘体拥有更复杂的饱和吸收机理，尤其是其拥有不寻常的表面和体态。

这种由表面态引发的新的饱和吸收机制非常的有趣，进一步研究，通过操控表面态电子，将会引发新的应用。

然而，在这些新的微波吸收材料背后，许多未知的物理机制依然值得研究者深思，尤其是表面狄拉克电子与吸收微波光子的偏振态和自旋偏振态等之间的关系。我们希望更多的研究者能关注这个有意义的问题。

图三拓扑绝缘体非线性响应机制图（a）光波段，（b）微波段

除了石墨烯和拓扑绝缘体，来自芬兰Aalto 大学的激光专家孙志培教授在他最近的综述文章 ("Solution processing of graphene,topological insulators and other 2d crystals for ultrafast photonics") 中也进行了阐述，其它二维原子材料，比如MoS₂可能也具有宽带可饱和吸收特性，将在超快激光应用中表现巨大应用潜力。

志培教授得出结论，拓扑绝缘体不仅是一种宽带非线性光学响应材料，同时也是一种新的微波光子材料。他预期，来自光学和微波领域的学者将会进一步探索拓扑绝缘体的潜在应用，研究出基于拓扑绝缘体的独特光学器件，比如被动锁模体、Q开关、光限幅器等等。

异于跟其它同类光学材料，作为一种新的微波吸收材料，拓扑绝缘体能为民用及军事应用提供一种新的思路，比如微波通信、信号处理和数据保护、电磁屏蔽、隐身、飞机隐身材料等等。