近年来，具有拓扑序的材料得到了广泛的研究，特别是Dirac和Weyl材料，由于具有与拓扑特性相关的奇异的电学性质和量子输运，引起了人们的广泛关注。Weyl半金属（WSMs）是一类不具有时间反演对称性的拓扑材料，其对称破缺来源于动量空间中两个三维Dirac（Weyl）锥的分离。α-T₃模型可以描述为石墨烯和骰子（或T₃）晶格之间的一种二维晶格结构。对于二维和三维材料，无论是经典描述还是量子力学方法都表明，满足线性能量色散关系的带电载流子速度与动量不成正比，这导致不存在杂质散射时粒子与电磁场的耦合可以到无限级次，即具有很强的光学非线性响应。因此，即使在单电子模型中，Dirac系统也是一种强非线性材料。在二维Dirac系统，如石墨烯中，强的非线性效应已经得到验证，如光学混频、高次谐波产生（HHG）、表面等离激元与光的非线性耦合以及光学双稳态等；在三维Dirac材料和WSMs中，已经报道了太赫兹波段的光学混频和超快电荷动力学。

本文对包含WSM和α-T₃系统在内的拓扑材料中的电荷输运和太赫兹波段的非线性响应进行了理论和数值研究。分别采用基于速度算符的半经典方法和基于密度矩阵的量子力学方法计算了非线性光学电导率，结果表明，非线性响应强烈依赖于温度和拓扑参数（如Weyl点分离量b和Berry相位Φ_B），带隙可以进一步改变非线性效应，在一定参数下，可以观察到线性和非线性响应的普遍性行为。我们的结果为基于拓扑材料的非线性光电子器件的研制提供了有用的信息。

利用半经典模型计算了两节点半金属在WSM、MDSM和GSM相中的非线性带内电导率。结果表明，其非线性响应的主要特征取决于拓扑相，而拓扑相则取决于v_Fb和Δ的相对大小。利用量子力学模型计算了α-T₃晶格的非线性光学响应。一阶电导率在由拓扑相直接决定的频率处出现霍尔量子化，HHG也由拓扑相决定。Berry相位取中间值时的非线性特性使得可调谐非线性材料或者基于非线性响应的拓扑材料特性表征成为可能。

张潮教授现为澳大利亚伍伦贡大学终身教授、太赫兹光电与热电物理研究中心主任。他1987年获美国纽约市立大学物理学博士学位。1987年至1989年，在马克斯普朗克固体研究所凝聚态物理学家、诺贝尔奖获得者Von Klitzing教授课题组从事博士后研究，研究方向是半导体纳米结构中量子磁传输。1989年至1992年，在加拿大温哥华的Meson研究机构担任研究员，致力于固体量子相干性和耗散性的研究。1993年成为澳大利亚伍伦岗大学物理学院终身教授。研究方向为纳米结构的量子传输、太赫兹光子学、半导体的非线性动力学、石墨烯和拓扑绝缘体。他在光电子学、材料科学、凝聚态物理尤其在THz光电子学等领域做出了多项重要的工作，是国际物理学界公认的领导者之一。近年来他在研究石墨烯光电子学以及石墨稀中光电响应的关键问题方面取得了重要进展，是该方向的国际领军人物，在国际学术界具有广泛的影响力。在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev., Appl. Phys. Lett.等国际学术刊物上发表论文220余篇。

课题组网站：

https://scholars.uow.edu.au/display/chao_zhang

第一作者介绍

Jack W. ZUBER，2017年获澳大利亚伍伦岗大学物理学学士， 2021年获澳大利亚伍伦岗大学物理学博士。主要研究方向为拓扑序的材料中的量子输运理论分析与数值计算。