首頁 院慶廿年 院內門戶 舊網站 English |
科研成果
孫棟課題組與合作者利用中紅外圓偏振光電效應爲外爾半導體提供了有力證據
發布日期:2022-09-19 浏覽次數:
  供稿:孙栋  |   编校:孙祎   |   编辑:曲音璇   |   审核:冯济

北京大学物理学院量子材料科學中心孙栋教授与中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中國科學院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授合作,在中红外波长下对Te进行了圆偏振相关光电流的测量,为支持 Te 作为的“外尔半导体”提供了有力的光学证据。相关研究成果以“利用中红外圆偏振光电效应揭示半导体碲中的与外尔有关的光学响应”(Unveiling Weyl-related optical responses in semiconducting tellurium by mid-infrared circular photogalvanic effect)为题,于2022年9月16日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

外爾半金屬由于其具有非平庸的能帶結構,産生了許多與之相關的新奇拓撲特性,近年來吸引了廣泛的研究興趣。此前,與外爾錐相關的拓撲性質通常被視爲半金屬材料的獨有性質,若能將半導體的一系列如靈活的可調控性等有利性質與外爾半金屬所具有的的新奇特性相結合,實現“外爾半導體”,在未來高性能電子器件和光電子器件方面將會有的巨大應用潛力。因此,在揭示了外爾半金屬的各種拓撲特性之後,“外爾半導體”是該領域下一個重要研究內容之一。

碲(Te)在传统上被认为是一种窄带隙半导体,最近,有输运测量报道了在Te中存在外尔点的潜在证据,使Te成为实现“外尔半导体”的一个可能的体系,然而实验上仍然需要更多的证据来帮助证实其“外尔半导体”的特性。外尔锥的手性是外尔半金属的特征之一,其会导致在外尔点附近形成自旋翻转的能带结构,同时带来与之相关的圆偏振光学选择定则。实验中观察到了在 4.0 和 10.6 微米波长下圆偏振光电效应(CPGE)的符号反转现象,这一现象说明两个波长下对应着不同的光学跃迁过程:一个跃迁产生在外尔锥内部,由外尔点的手性带来相邻两条能带间的自旋翻转的能带结构,而另一个则发生在跨越带隙的两个不同外尔锥之间。该实验现象与计算得到的跃迁矩阵元的结果相一致。这一实验现象揭示了Te在单个外尔锥内和不同外尔锥之间的跃迁过程中所遵循独特的光学选择规则,为支持 Te 作为的“外尔半导体”提供了有力的光学证据。外尔半导体Te同时具有超高的迁移率,应变和厚度可调的带隙,以及二维分层结构与优良的空气稳定性,不仅为探索和调控半导体材料中奇异拓扑物理提供了理想的平台,而且也为实现多功能外尔器件提供了前所未有的应用前景。

a:不同手性外尔点附近跃迁的圆偏振光学选择定则示意圖;圖b:在Te中不同波长光子跃迁对应的能带位置;圖c,d:分別爲4μm與10.6μm波長下圓偏振依賴光電流測量結果,在4μm與10.6μm下具有相反的CPGE符號


北京大学物理学院量子材料科學中心2017级研究生马骏超为第一作者,孙栋教授与曾长淦教授为共同通讯作者,其他主要合作者还包括中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心王征飞教授、中國科學院长春光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金等支持。


論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33190-3