Science Advances | 超材料手段增强拓扑绝缘体光电流

论文概述

      拓扑绝缘体是一类体相绝缘、表面导电的特殊材料，具有很新颖的光电现象。通过圆偏振光可以激发拓扑绝缘体的表面态，激发自旋的极化。同时自旋极化有一个很重要的特点，那就是自旋-动量锁定关系，简单理解就是不同自旋的电子会沿着不同方向运动，相同自旋的电子会沿着相同方向运动。电子的这样一种定向运动，便会形成光电流。

      但是对于传统的拓扑绝缘体材料，其本身的表面态容易被体态淹没，因此光电流响应一般较弱。本文就针对该问题，首次引入超材料结构来增强光激发，相比较于不加入超材料结构的拓扑绝缘体，能够获得11倍的光电流增强。相关文章以“Topological insulator metamaterial with giant circular photogalvanic effect”为题发表在顶级期刊Science Advances上。

研究内容

      如图1所示，一束圆偏振光以斜入射的方式照射到拓扑绝缘体上，由于角度的倾斜，使得不同自旋的电子之间出现浓度的差异，因此宏观上表现出定向移动的净电荷，从而形成光电流。

      对于一个薄膜形状的拓扑绝缘体，在图1所示的照射下，能够产生的光电流较弱，这是由于光与拓扑绝缘体的相互作用不够强烈，因此本文提出，将片状的拓扑绝缘体图案化，增强光与拓扑绝缘体的相互作用，从而提高光电流的强度。

      他们的做法如图2所示，将原本一个整片的拓扑绝缘体，利用离子刻蚀技术，刻出图2(A)所示的图案，该图案能够与入射波发生谐振，从而增强光与拓扑绝缘体的相互作用。为了证明增强效果，研究团队计算了吸收系数，如图2(B)所示，可以看见，结构化的拓扑绝缘体的光吸收明显大于未结构化的片状拓扑绝缘体。

      实验结果见图3，由圆偏振光产生的光电流分量见图3中条状图的红色部分(即条状C)，可以明显看见，同样的实验条件下，结构化拓扑绝缘体的光电流分量大于片状拓扑绝缘体的光电流，且表现出更强的手性，即对左旋光和右旋光响应的差异性变大。

观点评述

      拓扑绝缘体中的自旋电流在光计算、超低能耗器件等方面有潜在应用，同时其拓扑性质使得对于干扰不敏感，因此提高拓扑绝缘体中的光电流意义重大。在另一方面，超材料自从被提出以来，一直是利用结构特性来构建性质，此前一直刻意不强调材料自身的性质，而今天这篇文章给了我们一个启示：我们可以不光利用材料本身的性质，还可以基于超材料的思想来提升材料的这种性质。因此本文给出的方法虽然看似简单，但却是第一次在拓扑绝缘体材料中提出这种结合的方式。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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