外尔半金属可增强光电探测器中红外波段响应度3个量级

　　在国家自然科学基金项目（批准号：91750109, 11725415, 11674013, 11774010, 11704012, 11374021）等资助下，北京大学物理学院量子材料中心孙栋、冯济、陈剑豪等课题组与南洋理工大学刘政课题组组成的联合研究团队在基于拓扑半金属的光电探测研究中取得重要进展。他们利用外尔半金属TaIrTe4材料在外尔点附近发散的贝里曲率对非线性光学效应的增强，使得基于该拓扑半金属的光电探测器的响应度在中红外波段得到巨大提升。相关成果以“Nonlinear Photoresponse of Type-II Weyl Semimetals”（第二类外尔半金属的非线性光响应）为题，于2019年3月在线发表在Nature Materials（《自然·材料》）期刊上，5月正式发表并被选作封面文章。

　　光电探测器应用广泛，但受材料带隙限制，传统的半导体光电探测往往只能覆盖有限波长区域。在一些特殊波段，尤其是在中长波波段，一直存在室温运行条件下探测率低等诸多技术瓶颈。从2009年第一个石墨烯光电探测器出现开始，研究者们对基于半金属的光电探测器开展了广泛研究。研究者们设计了各种特殊的半金属光电探测器结构，这些设计虽然能够提高探测器特定波长的响应度，但是却难以兼顾响应波段宽和响应速度快的特性，从而丧失了半金属探测器的独特优势。在兼顾半金属探测器响应的宽光谱和超快速度特性的前提之下，半金属探测器在中长波红外波段的响应度低的技术瓶颈一直没有得到解决，从而阻碍了其探测率进一步提高至实用化水平。

图.（a-d）TaIrTe4在四个外尔点附近的能带结构，a，d外尔点的手性与b，c外尔点手性相反；（e）TaIrTe4光电探测器件对4微米波长激光的功率依赖响应。偏振条件分别为沿晶体a轴线偏振（LP-a）、沿晶体b轴线偏振（LP-b）、左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）。线偏振入射时，低功率段响应度获得巨大提升；（f）与位移电流相关的张量元积分在动量空间的分布。双色叉号代表手性相反的外尔点，在其附近张量元显著增强；（g）当期《Nature Materials》封面，图中分子中箭头示意位移电流的产生机制，即光跃迁过程中电子在实空间发生一致位移。自然材料以“A Topological Shift”为题报道该成果

　　最近，北京大学孙栋、冯济、陈剑豪等课题组与南洋理工大学刘政课题组密切合作，利用外尔半金属TaIrTe4内在的拓扑性质，大幅度提高了探测器在中红外波段（4微米）的响应度，突破了半金属探测器响应度方面的长期技术瓶颈。该工作主要利用外尔半金属在外尔点附近具有发散的贝里曲率，使得跟贝里场相关的位移电流响应在外尔点附近得到明显的增强，能量越低的光子造成的跃迁会越接近外尔点，增强效果就越明显。孙栋课题组和合作者将该拓扑效应与光探测性能相结合，使得基于拓扑半金属的原型光电探测器在中红外波段的响应度增强三个量级。

　　该项研究证明了拓扑半金属在中远红外光电探测领域具有良好的应用前景。利用拓扑效应获得响应度的大幅提升，使得光电探测成为目前拓扑材料最接近实际应用的场合。