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北大与合作者利用中红外圆偏振光电效应为外尔半导体提供了有力证据
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分类:  创建于:2022-10-11 被查看:1189次
北京大学物理学院量子材料科学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、中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授合作,在中红外波长下对碲(Te)进行了圆偏振相关光电流的测量,为支持碲(Te) 作为“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)。

外尔半金属由于其具有非平庸的能带结构,产生了许多与之相关的新奇拓扑特性,近年来吸引了广泛的研究兴趣。此前,与外尔锥相关的拓扑性质通常被视为半金属材料的独有性质,若能将半导体的一系列如灵活的可调控性等有利性质与外尔半金属所具有的新奇特性相结合,实现“外尔半导体”,在未来高性能电子器件和光电子器件方面将会具有巨大应用潜力。因此,在揭示了外尔半金属的各种拓扑特性之后,“外尔半导体”是该领域下一个重要研究内容之一。

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“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。


图a:不同手性外尔点附近跃迁的圆偏振光学选择定则示意图;图b:在Te中不同波长光子跃迁对应的能带位置;图c、d:分别为4μm与10.6μm波长下圆偏振依赖光电流测量结果,在4μm与10.6μm下具有相反的CPGE符号

北京大学物理学院量子材料科学中心2017级研究生马骏超为论文第一作者,孙栋与曾长淦为共同通讯作者,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、中国科学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。

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图文来源:北京大学,版权属于原作者,仅用于学术分享
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