铁电铋单层中拓扑相变驱动的二次谐波产生巨增强

凝聚态材料中能带拓扑与光的相互作用可以引发有趣的非线性光学现象，从而实现量子光源和亚波长拓扑激光器等现代光子技术。在这里，我们揭示了铁电铋单层中由屈曲调控的拓扑相变释放了巨大的二次谐波产生。通过第一性原理计算，我们惊奇地发现，具有屈曲参数 $\Delta h$ 的铁电铋单层具有高达 $10^{7}$ $\mathrm{pm}^2/\mathrm{V}$ 量级的大磁化率 $\chi^{(2)}$，比单层 MoS$_2$ 高出约两个数量级。当 $\Delta h$ 被调控到狄拉克电子出现的临界窗口时，会出现一个低频共振，使 $\chi^{(2)}$ 再提高一个数量级。我们表明，这种增强局域在狄拉克锥上，并且主要由带内修正贡献主导。基于扩展的狄拉克模型，我们确定这种增强在物理上源于狄拉克电子的超轻有效质量 $m^{*}$，通过费米速度 $v_F$ 和带隙 $E_g$ 进行缩放。我们的发现为通过工程化拓扑临界性实现优异的二次谐波产生提供了一个通用范式，并可作为拓扑材料中狄拉克电子的实验特征。