中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王林、陳效雙、陸衛研究團隊提出在強自旋-軌道耦合的半金屬量子材料中實(shí)現新型長(cháng)波光子探測機制——非線(xiàn)性霍爾效應，探測器在無(wú)任何外加磁場(chǎng)與內建電場(chǎng)作用下，由于無(wú)序散射外在機制（斜散射或側跳機制）誘導產(chǎn)生非線(xiàn)性霍爾效應（零磁場(chǎng)下橫向電流和輸入電壓之間的固有二次關(guān)系），最終在太赫茲光場(chǎng)下產(chǎn)生霍爾二階整流結果。這為研究強自旋軌道耦合和反轉對稱(chēng)破缺系統中無(wú)序散射誘導的非線(xiàn)性整流獲取低能光子開(kāi)辟了新的途徑。
相關(guān)成果以“Terahertz Nonlinear Hall Rectifiers Based on Spin-Polarized Topological Electronic States in 1T-CoTe?”為題作為卷首文章（frontispiece）發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials。
研究背景
紅外-太赫茲光電探測技術(shù)在空間天文、氣象觀(guān)測、空間防御等領(lǐng)域具有廣闊前景，受限于高質(zhì)量探測材料與光電原理，傳統紅外長(cháng)波探測電荷分離機制存在多種暗電流噪聲如隧穿、俄歇、復合等因素所造成的靈敏度和工作溫度問(wèn)題，在滿(mǎn)足戰術(shù)泛在化應用需求中面臨著(zhù)挑戰。特別隨著(zhù)當前光電探測智能化水平的不斷提升，對探測器功耗、速度、集成度等多重指標提出了綜合要求。為此，探索新材料、新工作機制、新器件結構成為拓展紅外探測波長(cháng)或功能的重要方向。
對于光電探測來(lái)說(shuō)，實(shí)現對電子態(tài)的操控產(chǎn)生高速光誘導電荷分離至關(guān)重要，當波長(cháng)遠小于材料禁帶，光生載流子的能力取決于非平衡光電工作模式，則涉及到多重電荷態(tài)作用如熱效應、非線(xiàn)性效應、相變等。近年來(lái)，量子材料的電子波函數的量子本征特性（量子幾何、拓撲和糾纏）表現出獨特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)（高次諧波產(chǎn)生、光頻混波、Floquet工程等），其中非線(xiàn)性霍爾效應（NLHE）作為近年來(lái)霍爾家族的新成員，成為量子態(tài)拓撲性質(zhì)研究的熱門(mén)課題。NLHE的特征是縱向電流驅動(dòng)橫向霍爾電壓，產(chǎn)生異于常規霍爾效應的線(xiàn)性響應關(guān)系，呈現出非線(xiàn)性的關(guān)系，且可在零磁場(chǎng)下工作，不需要時(shí)間反轉對稱(chēng)性破缺，不受半導體結固有的熱電壓閾值或渡越時(shí)間的限制，促進(jìn)量子波函數幾何和對稱(chēng)特征耦合的非平衡效應構筑新型微納器件的新功能。
研究亮點(diǎn)
目前大多NLHE的研究主要基于非零貝里曲率的外爾半金屬，依賴(lài)于量子材料的反轉對稱(chēng)性破壞，檢測到的倍頻信號通常比較小且受限于非常低的驅動(dòng)頻率和溫度，限制了其進(jìn)一步應用。在這項研究之前，研究團隊曾嘗試在本征磁性拓撲絕緣體材料體系中，以其材料自身磁性打破時(shí)間反轉對稱(chēng)性，利用Berry曲率偶極子驅動(dòng)的本征貢獻，誘導產(chǎn)生明顯的非線(xiàn)性太赫茲光電流 [Nano Lett. 2022, 22, 7492?7498 ]。
受此啟發(fā)，課題組考慮在無(wú)Berry曲率下產(chǎn)生類(lèi)似光整流的可能性，并試圖在具備豐富晶體構型和色散關(guān)系的Dirac半金屬體系探索NLHE實(shí)現的微觀(guān)非平衡機制。為此，研究者通過(guò)理論材料結構設計對磁性重金屬化合物進(jìn)行遞推，采用CVT技術(shù)制備出高結晶度的1T-CoTe?半金屬單晶（圖1）。
a. CoTe?的化學(xué)蒸汽傳輸裝置的示意圖。b .CoTe?薄片的原子結構。c. 層狀CoTe?晶體的HRTEM圖像。d. 從本體區域捕獲的選定區域電子衍射圖案。e,f. 分別來(lái)自c的表面e和體f部分的放大原子分辨率球差校正的STEM圖像。g. 六邊形1T-CoTe?薄片的低放大分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像和Co和Te元素的能量色散光譜映射。h. X射線(xiàn)光電子能譜實(shí)驗測量CoTe?的劈裂表面及其在不同時(shí)間暴露后的改性后的Co-2p和Te-3d內核水平。
為進(jìn)一步驗證CoTe?材料電子態(tài)分布特性，采用自旋ARPES實(shí)驗結合密度泛函理論計算結果（DFT），證明了該材料存在自旋極化表面態(tài)，而體電子態(tài)滿(mǎn)足反演對稱(chēng)的條件，其拓撲表面態(tài)Berry曲率呈現對稱(chēng)分布（圖2），排除了Berry曲率偶極子的影響因素。為了研究材料在高頻微波和太赫茲頻率下的二階響應，采用二次諧波（SHG）產(chǎn)生實(shí)驗來(lái)進(jìn)一步確定材料的對稱(chēng)性，實(shí)驗結果得到強的SHG信號（圖2），這歸因于材料表面對稱(chēng)性的破缺。
a. SHG測量裝置示意圖。b. 來(lái)自CoTe?的SHG的測量光譜（藍色曲線(xiàn)）和云母襯底（紅色曲線(xiàn)）。c. SHG發(fā)射對泵浦激光偏振的依賴(lài)性。d) CoTe?沿Γ-A方向的軌道分辨體帶色散。e. 整個(gè)布里淵區的拓撲表面態(tài)Berry曲率分布計算示意圖。f. 計算的費米表面Berry曲率分布。g. 密度泛函理論計算了沿M??M方向的動(dòng)量解析譜函數圖。h. 沿（001）表面布里淵區M??M方向的實(shí)驗ARPES光譜。i,j. 表面帶沿M??M方向的自旋紋理的計算和實(shí)驗。
為實(shí)現高頻信號的有效接收和量子態(tài)非平衡耦合，研究者制備出集成領(lǐng)結天線(xiàn)的霍爾整流器結構。在太赫茲場(chǎng)下，由領(lǐng)結天線(xiàn)增強的振蕩產(chǎn)生縱向太赫茲場(chǎng)，在橫向端收集到較大的直流電流（圖3），根據NLHE理論材料intrinic（Berry曲率部分）和extrinsic（外在貢獻，如disorder的散射等）都可產(chǎn)生NLHE，由于該材料內在Berry曲率偶極子的貢獻幾乎忽略不計，可產(chǎn)生NLHE傳輸可歸結于手性電子態(tài)的斜散射和側跳機制的非平衡效應產(chǎn)生的外部貢獻。在零磁場(chǎng)下，該霍爾整流探測功能可在零外部偏壓下運行，具有快速的響應速度、零閾值電壓以及高帶寬的特點(diǎn)，避免了傳統電荷輸運特征受截止頻率或波長(cháng)的限制，為新一代高效量子倍頻器件和整流器件的設計提供新的思路，有助于推動(dòng)通訊、傳感和長(cháng)波探測等技術(shù)的發(fā)展。
圖3 1T - CoTe?基非線(xiàn)性霍爾整流器的太赫茲探測。
a. 由天線(xiàn)耦合狄拉克半金屬CoTe?制成的器件結構示意圖。b. 手性相反的拓撲表面態(tài)的斜散射和側跳示意圖。c. CoTe?探測器中的輻射功率依賴(lài)性光電流。d,e. 測量的整流光電流的光譜依賴(lài)性：d的光譜頻率為0.02-0.04 THz， e的光譜頻率為0.08-0.12 THz。f,g. 橫向光電流的偏振依賴(lài)性：d和e的比極化光電流峰值頻率分別為f 0.027和g 0.108 THz。h,i. 縱向電極h和橫向電極i在不同極化角度下的整流光電流光譜的彩色圖，驗證了NLHE特性。
總結與展望
該工作利用CVT途徑合成了具有良好結晶度的Ⅱ型Dirac半金屬候選分子1T-CoTe?，通過(guò)自旋- ARPES和光譜函數理論揭示了該分子具有較強的自旋-軌道耦合和非微小的拓撲保護表面和體帶。在此基礎上，實(shí)驗設計二階非線(xiàn)性霍爾整流器，在室溫時(shí)間反轉對稱(chēng)下，利用自旋紋理手性表面態(tài)的外部斜散射和側跳機制（不同于任何半導體結和Berry曲率偶極子）誘導產(chǎn)生了一種非線(xiàn)性太赫茲光響應。該研究結果不僅為提高對拓撲物理的基本理解開(kāi)辟了廣闊前景，而且通過(guò)探索新型拓撲量子材料中的NLHE，為克服紅外/太赫茲光子技術(shù)的局限性提供了一種新的策略。
上海技術(shù)物理研究所王林啟明星研究員、意大利拉奎拉大學(xué)Antonio Politano教授為論文的共同通訊作者。上海技術(shù)物理研究所博士生胡震、博士后張力波為文章的共同第一作者，實(shí)驗室胡偉達研究員、王少偉研究員等專(zhuān)家學(xué)者給予支持和有益研討，同時(shí)還包括坎普爾理工學(xué)院理論學(xué)家Amit Agarwal等有關(guān)合作者，中科院上海技術(shù)物理研究所為第一通訊單位。該項研究工作同時(shí)得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然基金委、STCSM、上海市科委等的資助。
