外爾半金屬可增強光電探測器中紅外波段響應度3個量級

　　在國家自然科學基金項目（批準號：91750109, 11725415, 11674013, 11774010, 11704012, 11374021）等資助下，北京大學物理學院量子材料中心孫棟、馮濟、陳劍豪等課題組與南洋理工大學劉政課題組組成的聯合研究團隊在基于拓撲半金屬的光電探測研究中取得重要進展。他們利用外爾半金屬TaIrTe4材料在外爾點附近發散的貝里曲率對非線性光學效應的增強，使得基于該拓撲半金屬的光電探測器的響應度在中紅外波段得到巨大提升。相關成果以“Nonlinear Photoresponse of Type-II Weyl Semimetals”（第二類外爾半金屬的非線性光響應）為題，于2019年3月在線發表在Nature Materials（《自然·材料》）期刊上，5月正式發表并被選作封面文章。

　　光電探測器應用廣泛，但受材料帶隙限制，傳統的半導體光電探測往往只能覆蓋有限波長區域。在一些特殊波段，尤其是在中長波波段，一直存在室溫運行條件下探測率低等諸多技術瓶頸。從2009年第一個石墨烯光電探測器出現開始，研究者們對基于半金屬的光電探測器開展了廣泛研究。研究者們設計了各種特殊的半金屬光電探測器結構，這些設計雖然能夠提高探測器特定波長的響應度，但是卻難以兼顧響應波段寬和響應速度快的特性，從而喪失了半金屬探測器的獨特優勢。在兼顧半金屬探測器響應的寬光譜和超快速度特性的前提之下，半金屬探測器在中長波紅外波段的響應度低的技術瓶頸一直沒有得到解決，從而阻礙了其探測率進一步提高至實用化水平。

圖.（a-d）TaIrTe4在四個外爾點附近的能帶結構，a，d外爾點的手性與b，c外爾點手性相反；（e）TaIrTe4光電探測器件對4微米波長激光的功率依賴響應。偏振條件分別為沿晶體a軸線偏振（LP-a）、沿晶體b軸線偏振（LP-b）、左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）。線偏振入射時，低功率段響應度獲得巨大提升；（f）與位移電流相關的張量元積分在動量空間的分布。雙色叉號代表手性相反的外爾點，在其附近張量元顯著增強；（g）當期《Nature Materials》封面，圖中分子中箭頭示意位移電流的產生機制，即光躍遷過程中電子在實空間發生一致位移。自然材料以“A Topological Shift”為題報道該成果

　　最近，北京大學孫棟、馮濟、陳劍豪等課題組與南洋理工大學劉政課題組密切合作，利用外爾半金屬TaIrTe4內在的拓撲性質，大幅度提高了探測器在中紅外波段（4微米）的響應度，突破了半金屬探測器響應度方面的長期技術瓶頸。該工作主要利用外爾半金屬在外爾點附近具有發散的貝里曲率，使得跟貝里場相關的位移電流響應在外爾點附近得到明顯的增強，能量越低的光子造成的躍遷會越接近外爾點，增強效果就越明顯。孫棟課題組和合作者將該拓撲效應與光探測性能相結合，使得基于拓撲半金屬的原型光電探測器在中紅外波段的響應度增強三個量級。

　　該項研究證明了拓撲半金屬在中遠紅外光電探測領域具有良好的應用前景。利用拓撲效應獲得響應度的大幅提升，使得光電探測成為目前拓撲材料最接近實際應用的場合。