拓撲量子體系長波室溫新機理THz探測研究獲進展

　　近日，中國科學院上海技術物理研究所研究員王林、陳效雙和陸衛團隊與意大利拉奎拉大學教授Antonio Politano團隊、南京大學教授萬賢綱團隊合作，提出了C3V反演結構特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲探測結構，揭示由本征對稱性破缺導致的室溫太赫茲頻率電磁轉換現象，并實現了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能，相關結果以Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection為題發表于《科學進展》（Science Advances）上。

　　隨著信息時代的快速發展，利用低能光子頻帶（0.1~10THz，terahertz gap）范圍工作的微型器件成為新一代無線通訊、智慧城市及安全體系建設的重要信息載體。傳統光電器件依賴于窄帶隙半導體或能帶工程（金屬、半導體、絕緣體）的發展，在低能光子頻帶存在性能指數下降的趨勢，需要深低溫來抑制噪聲以獲得足夠的靈敏度，面臨著本征極限問題。因此，人們嘗試從微觀原子尺度操控來構造特定的輸運或光電子特性，以期改變傳統依賴于單粒子激發的能帶探測模式帶來的瓶頸。

　　研究人員將具有原子薄層結構的拓撲半金屬PdTe2有效集成到天線耦合結構中，PdTe2具有原子堆疊的拓撲對稱性，加上其強自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐，使得該材料具有各項異性半閉合的費米面以及大的THz吸收系數（圖1b）。研究發現Cr-PdTe2界面電荷轉移形成界面態，通過金屬log天線（圖1d，1e）耦合的共同作用（synergistic effect）對PdTe2表面電子產生周期性的驅動震蕩（圖1f）。由于空間反演的破壞（圖1c），震蕩的電子在晶格C3v旋轉勢的作用下產生不可抵消的橫向電流(圖1f)和高頻電磁整流效應，可以在寬的電磁頻率范圍內實現高性能探測與成像。

　　研究人員還通過環形電極耦合的偏振探測實驗，驗證了表面光電流極性分布滿足C3v非平衡散射及晶格對稱性關聯（圖2a），實驗獲得了2pW/Hz0.5的探測靈敏度與快速響應，表明半金屬材料的奇異行為可能在長波光子探測中帶來新變革。

　　該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、上海市科委計劃項目以及上海技物所啟明星研究員計劃的支持。

圖1.a：Type-II狄拉克拓撲半金屬碲化鈀(PdTe2)的晶體結構；b：費米面的電子-空穴費米包結構；c：內建電場誘導的對稱性破壞；d、e：Log天線集成結構產生周期性局部電子震蕩；f：形成橫向凈電流。

圖2. a：基于環形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C3v旋轉規律；b：器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。