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Adv. Mate.北大孫棟團隊在拓撲半金屬中實現了中紅外光軌道角動量的直接光電探測

來源：北京大學物理學院      2022-07-27
導讀：近期，北京大學物理學院量子材料科學中心的孫棟長聘副教授與合作者首次實驗實現了中紅外波段的光軌道角動量的直接光電探測，并驗證了拓撲半金屬材料在實現多光參量集成探測系統方面的巨大應用潛力。2022年5月23日，相關研究成果以“基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的中紅外光軌道角動量直接檢測”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）為題在線發表于《先進材料》（Advanced Materials），并被選為封里文章（inside front cover）。?

光的偏振狀態與自旋角動量有關，除了自旋角動量，光還可以攜帶軌道角動量（OAM）, 這將導致光場具有空間分布的相位，表現為光束具有螺旋形的波前，使得光束中心存在一個相位奇點，因此中心光強度為零，光強度分布為環形。自誕生以來，OAM的應用在各個領域取得了許多突破。然而，在OAM的探測方面，通常采用干涉和衍射特性來實現，這需要間接計數干涉或衍射圖中的條紋和點陣，或者通過進行間接相變來實現。OAM的直接電子讀出是基礎研究和實際應用中都非常需要的，它也是實現片上集成和對OAM敏感的焦平面成像陣列這樣的系統級集成的前提和基礎。
基于拓撲半金屬的光檢測的最新發展為解決上述問題提供了可能性。外爾半金屬是一種拓撲半金屬材料，具有破缺的時間反演對稱性或空間反演對稱性，它們在能量-動量空間中形成錐狀結構。研究發現，基于拓撲半金屬材料的光電探測器具有寬光譜響應、偏振分辨和OAM分辨等特性。這些光電流響應可以通過外爾半金屬的外爾點附近的巨大貝里曲率來實現增強，當摻雜水平與躍遷波長匹配時，外爾半金屬的這種拓撲增強響應提供了一種在中紅外下電荷分離的有效方法。
近期，北京大學物理學院量子材料科學中心的孫棟長聘副教授與中國科學院光學精密機械與物理研究所程晉羅研究員，西安交通大學物理學院張沛教授，南京大學電子科學與工程學院施毅教授等合作，驗證了基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的OAM光電探測器的響應性能，TaIrTe4器件具有幾何形狀經過特別設計的電極，確實可以通過軌道角動量光電效應（OPGE）在4 μm（一種典型的中紅外波長）實現對OAM的直接檢測。實驗結果表明，OPGE驅動的光電流的方向和大小與入射光束的OAM量子數成正比。實驗觀察到的OPGE響應來自光場的相位梯度，而不是其他光電流產生機制。該工作還進行了光束尺寸和光斑位置依賴性的測量，以確認當光束的光斑大小和位置與電極結構相匹配時，幾何形狀經過特別設計的電極能有效地收集OPGE電流。結合TaIrTe4所具有的線偏振和圓偏振靈敏度，以及常規的光強度響應能力，精心設計成光電探測器陣列，這種器件可能能夠在中紅外波段實現多光學參量表征。
圖a：攜帶OAM的中紅外光束產生的OPGE光電流測量示意圖；圖b：具有U形電極的TaIrTe4器件光學顯微照片；圖c-d：TaIrTe4器件在渦旋光激發下生成的OPGE光電流及其對OAM順序的依賴性的證據。圖c顯示了歸一化光電流隨OAM的變化。右圖顯示了被測光電流的三個不同周期成分對激發光OAM階數的依賴。
2022年5月23日，相關研究成果以“基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的中紅外光軌道角動量直接檢測”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）為題在線發表于《先進材料》（Advanced Materials），并被選為封里文章（inside front cover）。賴佳偉為第一作者，孫棟為通信作者。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金及中國博士后創新人才支持計劃等支持。
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201229
參考資料：https://www.phy.pku.edu.cn/info/1031/8098.htm


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