7月15日，清华大学精密仪器系杨原牧副教授与合作者在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上在线发表了题为《近零介电常数材料中高次谐波产生》（High-harmonic generation from epsilon-near-zero materials）的研究论文。该研究提出了一种利用近零介电常数材料中的光场放大效应，在固态薄膜中高效产生紫外高次谐波的新方案。

图1. 近零介电常数材料中高次谐波产生示意图

高次谐波产生指的是物质在高强度激光照射下，由于强的非线性光与物质相互作用，产生紫外、X射线甚至更高频段谐波的现象。高次谐波产生是实现超短阿秒脉冲产生的基础，此外，它还被广泛应用于高能光电子能谱等领域。传统用于产生高次谐波的媒质是氙气、氩气等惰性气体，然而气体产生高次谐波的效率并不高，并且实验装置非常繁琐。利用固态媒质才生高次谐波是另一种思路，然而，人们在尝试中遇到了若干挑战，其主要原因在于固态媒质通常在紫外或更短波长区域吸收严重，限制了高次谐波的产生效率。

在本研究中，杨原牧和合作者提出了应用近零介电常数材料（epsilon-near-zero material）实现高次谐波产生的新方案。近零介电常数材料是一种具有特殊电磁特性的材料。当一束激光斜入射到由近零介电常数材料构成的薄膜时，由于电磁边界条件的限制，材料中的光场可被大幅度增强，进而大幅度提高非线性光与物质的相互作用。基于此效应，合作团队得以在10 GW/cm2量级的低泵浦激光功率密度下观测到九次谐波的产生。同时，得益于近零介电常数材料中独特的热电子动力学过程，合作团队还观测到了高次谐波光谱的显著红移及展宽。这一成果为研究固态媒质中的强场、超快电子动力学提供了新的平台，为调控高次谐波的时域及频域特性提供了新的方法，并为未来实现集成化、片上极紫外阿秒光源指出了可能的方向。

图2. （a）高次谐波产生实验装置示意图；（b）实验测得高次谐波光谱。

杨原牧副教授为论文的第一作者和共同通讯作者，清华大学为第一完成单位。论文的合作者包括了美国斯坦福大学以及斯坦福加速器（SLAC）国家实验室卢健博士、刘汉喆、吉米雷（Shambhu Ghimire）研究员，美国新墨西哥大学曼哈瓦卡斯（Alejandro Manjavacas）助理教授，美国桑迪亚（Sandia）国家实验室陆威廉（T.S. Luk）研究员、辛克莱尔（Michael Sinclair）研究员、布雷纳（Igal Brener）研究员，美国北卡州立大学凯利（Kyle Kelley）博士、伦纳斯特伦（Evan Runnerstrom）博士、玛利亚（Jon-Paul Maria）教授等人。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-019-0584-7