拓扑绝缘体中的非线性光吸收与光电流

本文针对拓扑绝缘体表面态与边缘态中线偏振与圆偏振光的吸收，发展了光强非线性 regime 下的吸收理论。在高光强 $I$ 下，表面态的吸收率与边缘态的吸收宽度均按 $1/\sqrt{I}$ 衰减。我们考虑了光激发电子与空穴的弹性散射。结果表明，高强度下的吸收饱和（bleaching）被弹性散射强烈抑制。表面态中单光子和双光子吸收在光强非线性 regime 下出现的线圆二色性，因光载流子的弹性散射而减弱。二维拓扑绝缘体边缘态中的吸收同样依赖于弹性散射率：当弹性散射率强于能量弛豫率时吸收被抑制。我们研究了任意光强下线二色性——即吸收长度对偏振面取向的依赖关系。我们表明，线二色性的程度由弹性与非弹性弛豫时间之比决定。由线偏振和圆偏振光在边缘态中产生的光电流，其强度依赖关系从低 $I$ 下的线性变为高 $I$ 下的 $\propto \sqrt{I}$。光电流随偏振与强度的变化强烈依赖于弹性散射率。所述效应可在现代实验所用激光强度的太赫兹频段被观测到。