Topologisk isolator metamateriale med kæmpe cirkulær fotogalvanisk effekt

Topologiske isolatorer har bemærkelsesværdige manifestationer af elektroniske egenskaber. De helicitetsafhængige fotostrømme i sådanne enheder understøttes af spin-momentum-låsning af overfladiske Dirac-elektroner, der er svage og let overskygges af bulkbidrag. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , X. Sun og et forskerhold inden for fotoniske teknologier, fysik og fotoniske metamaterialer i Singapore og Storbritannien viste, hvordan materialers chirale respons kunne forbedres via nanostrukturering. Den stramme indeslutning af elektromagnetiske felter i de resonante nanostrukturer forbedrede fotoexcitationen af ​​spin-polariserede overfladetilstande i en topologisk isolator for at tillade en 11-faldig forøgelse af den cirkulære fotogalvaniske effekt og en tidligere uobserveret fotostrømdichroisme ved stuetemperatur. Ved hjælp af denne metode, Sun et al. kontrollerede spin -transporten i topologiske materialer via strukturelt design, en hidtil ukendt evne til metamaterialer. Værket bygger bro mellem nanofotonik og spinelektronik for at give muligheder for at udvikle polarisationsfølsomme fotodetektorer.

Kiralitet

Kiralitet er et allestedsnærværende og fascinerende naturfænomen i naturen, beskriver forskellen mellem et objekt og dets spejlbillede. Processen manifesterer sig i en række skalaer og former fra galakser til nanorør og fra organiske molekyler til uorganiske forbindelser. Chiralitet kan detekteres på atom- og molekylært niveau inden for grundvidenskab, herunder kemi, biologi og krystallografi, såvel som i praksis, såsom i fødevare- og medicinalindustrien. For at opdage chiralitet, forskere kan bruge interaktioner med elektromagnetiske felter, selvom processen kan hindres af et stort uoverensstemmelse mellem lysets bølgelængde og størrelsen af ​​de fleste molekyler ved nanoskala -dimensioner. Designer metamaterialer med strukturelle træk, der kan sammenlignes med lysets bølgelængde, kan tilvejebringe en uafhængig tilgang til at udforme optiske egenskaber efter behov for at forbedre lys-stof-interaktionen for at skabe og forbedre metamaterialers optiske chiralitet. I dette arbejde, Sun et al. viste anvendelser af kunstig nanostrukturering for at forbedre den kirale fotogalvaniske reaktion af elektromagnetiske felter. De resonante ikke-chirale metamaterialer forbedrede effektivt fotoekscitationen af ​​spinpolariserede tilstande. Arbejdet viste en kæmpe forbedring af den ekstrinsiske chirale fotostrømrespons af en 3D topologisk isolator (TI); indeholdende vismut, antimon, tellur og selen i følgende forhold:Bi _1.5 Sb _0,5 Te _1.8 Se _1.2 , forkortet som BSTS.

Sun et al. selektivt ophidsede overfladebærere i topologiske isolatorer ved at rette cirkulært polariseret lys ved skrå indfald på overfladen af ​​krystallen. De bestemte den resulterende strømstrøm ved at låse spin-momentum ved bærerne. Den topologiske isolatorkrystal var i sig selv achiral, derfor genererede fotoexcitation ved normal forekomst ikke nogen helicitetsafhængig fotostrøm (HDPC). Imidlertid, når de udførte spin-selektiv fotoexcitation af overfladestatusbærere ved hjælp af skråt indfaldende lys med en given helicitet, de inducerede kiralitet som beskrevet for metamaterialer, via den cirkulære fotogalvaniske effekt (CPGE). Tilstedeværelsen af ​​en nanostruktur designet på overfladen af ​​de topologiske isolatorer indikerede en resonansabsorption ved excitationsbølgelængden for effektivt at øge antallet af overfladeinduktionsbærere, forfremmet til bulkledningsbåndene. Denne proces øgede bidraget fra CPGE (cirkulær fotogalvanisk effekt) betydeligt til fotostrømmen. I den eksperimentelle opsætning, Sun et al. bemærkede, hvordan HDPC (helicitetsafhængig fotostrøm) flyder hen over to guldkontakter på krystaloverfladen uden en påført bias.

Optisk absorption og metamaterialedesign

For at forstå forbedringen af ​​kiralitet udelukkende via topologiske overfladespinstrømme, Sun et al. valgte et metamaterialedesign, der ikke introducerede optisk kiralitet i sig selv eller eksternt. Teamet valgte en metamateriale -enhedscelle med mønstre udskåret ved fokuseret ionstrålefræsning mellem to guldelektroder deponeret på en flage BSTS, som de observerede ved hjælp af scanningelektronmikroskopi (SEM). Metamaterialets geometri fremkaldte ikke nogen helicitetsafhængighed, som Sun et al. bekræftet ved hjælp af kort over elektrisk feltintensitet til cirkulært polariseret lys med modsat hånd. Holdet kontrollerede derefter de cirkulære fotogalvaniske effekter i den topologiske isolator ved hjælp af metamaterialet. De målte HDPC (helicitetsafhængig fotostrøm) under næsten ensartet belysning uden en anvendt bias. Opsætningen resulterede i polarisationsuafhængige fototermoelektriske strømme, som bidrog til fotostrømningsbaggrunden. Strømkomponenten var også følsom over for excitationsstrålens position på prøven.

Fotostrømssignal

For at måle klare fotostrømssignaler, Sun et al. justerede derefter laserstrålepositionen på BSTS -flaget og BSTS -metamaterialet for at opnå den maksimale fotostrøm. Forskerne bemærkede, hvordan overfladebidragene til fotostrømmene var synlige selv ved stuetemperatur i ustrukturerede BSTS -prøver, mens bulkkomponenter overskyggede deres afhængighed af let helicitet, samtidig med at den er for lille til enhver praktisk enhed eller applikation. Når teamet mønstrede BSTS -flagen med et firkantet metamaterialearray, den opførte sig markant anderledes. Den resonante metamaterialestruktur inducerede større asymmetri i forhold til overfladeledende bånd for at øge nettospindstrømmen. Teamet definerede den fotostrøm cirkulære dikroisme induceret af spinpolariserede overfladetilstande og bekræftede HDPC's overfladekarakter i BSTS. Resultaterne af undersøgelsen viste, hvordan metamaterialerne ikke introducerede chiralitet, men forbedrede den ekstrinsiske chiralitet af BSTS -overfladelaget.

Sun et al. diskuterede derefter fotostrømningsadfærden for spin-transport metamaterialer via elektromagnetisk modellering. Den genererede fotostrøm var direkte proportional med den optiske absorption, bærertæthed, mobilitet og levetid for den topologiske isolator. Baseret på antagelsen om, at den optiske absorption af BSTS -metamaterialet steg ved nanostrukturering, mens transportparametrene forblev uændrede, Sun et al. kortlagt bærerens anisotropiske optiske model af BSTS topologiske isolatorkrystal. Forskerne udførte fuldbølge elektromagnetiske simuleringer for ustrukturerede og nanostrukturerede BSTS, ved at replikere prøvebelysningsbetingelserne, der blev brugt i eksperimenterne, at forstå den optiske absorption på overfladen af ​​den topologiske isolator. Den elektromagnetiske modellering stemte godt overens med de eksperimentelle HDPC -resultater.

Outlook

På denne måde, X. Sun og kolleger gav en metode til at bruge metamaterialer til at kontrollere overfladetransport i topologiske isolatorer via strukturelt design. Denne metode giver en kraftfuld værktøjskasse til at bygge bro mellem nanofotonik og spinelektronik. Teamet viste, hvordan resonante nanostrukturer fremkaldte kæmpe forbedring af den ekstrinsiske chirale fotostrømrespons fra en topologisk isolator. Resultaterne kan undersøges for at udøve kontrol over spin -transportegenskaber for andre klasser af kvante- og topologiske materialer.

© 2021 Science X Network