上海技物所在拓扑量子体系长波室温新机理太赫兹探测研究取得进展

近日,上海技物所王林、陈效双和陆卫研究员团队与意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授团队和南京大学万贤纲教授团队合作,提出了C3V反演结构特征的第二类狄拉克半金属材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫兹(THz)探测结构,揭示由本征对称性破缺导致的室温太赫兹频率电磁转换现象,并实现了基于该材料的偏振、高性能成像演示功能,相关结果以“Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection”为题发表于《科学进展》(Science Advances)杂志,论文链接为:https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb6500

随着信息时代的快速发展,利用低能光子频带(0.1~10THz,terahertz gap)范围工作的微型器件成为新一代无线通讯、智慧城市及安全体系建设的重要信息载体。传统光电器件依赖于窄带隙半导体或能带工程(金属、半导体、绝缘体)的发展,在低能光子频带存在性能指数下降的趋势,需要深低温来抑制噪声以获得足够的灵敏度,面临着本征极限问题。因此,人们尝试从微观原子尺度操控来构造特定的输运或光电子特性,以期改变传统依赖于单粒子激发的能带探测模式带来的瓶颈。 

研究人员将具有原子薄层结构的拓扑半金属PdTe2有效集成到天线耦合结构中,PdTe2具有原子堆叠的拓扑对称性加上其强自旋-轨道耦合形成的倾斜狄拉克锥,使得该材料具有各项异性半闭合的费米面以及大的THz吸收系数(图1b)。研究人员还研究发现Cr-PdTe2界面电荷转移形成界面态,通过金属log天线(图1d, 1e)耦合的共同作用(synergistic effect)对PdTe2表面电子产生周期性的驱动震荡(图1f)。由于空间反演的破坏(如内建电场图1c),震荡的电子在晶格C3v旋转势的作用下产生不可抵消的横向电流(图1f所示)和高频电磁整流效应,可以在宽的电磁频率范围内实现高性能探测与成像。 

图1.a:Type-II狄拉克拓扑半金属碲化钯(PdTe2)的晶体结构;b:费米面的电子-空穴费米包结构;c:內建电场诱导的对称性破坏;d、e:Log天线集成结构产生周期性局部电子震荡;f:形成横向净电流。 

研究人员还通过环形电极耦合的偏振探测实验,验证了表面光电流极性分布满足C3v非平衡散射及晶格对称性关联(图2a),实验获得了2pW/Hz0.5的探测灵敏度与快速响应,表明半金属材料的奇异行为可能在长波光子探测中带来新变革。 

图2. a:基于环形天线电极探针的材料表面光电流分布满足C3v旋转规律;b:器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。

博士生郭程为该论文的第一作者,王林启明星研究员、陈效双研究员和Antonio Politano教授为该文章的通讯作者,南京大学万贤纲教授研究组、胡亦斌研究员给予了相关的理论支持。该研究工作也同时得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、上海市科委计划项目以及上海技物所启明星研究员计划的项目支持。 

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