Topologiska isolatorer har anmärkningsvärda manifestationer av elektroniska egenskaper. De helicitetsberoende fotoströmmarna i sådana anordningar stöds av centrifugeringsspärr av Dirac-elektroner som är svaga och lätt överskuggas av bulkbidrag. I en ny rapport som nu publicerats den Vetenskapliga framsteg , X. Sun och ett forskargrupp inom fotonisk teknik, fysik och fotoniska metamaterial i Singapore och Storbritannien visade hur materialets kirala svar kunde förbättras via nanostrukturering. Den täta inneslutningen av elektromagnetiska fält i de resonanta nanostrukturerna förstärkte fotoexciteringen av spinnpolariserade yttillstånd hos en topologisk isolator för att möjliggöra en 11-faldig ökning av den cirkulära fotogalvaniska effekten och en tidigare oobserverad fotströmsdikroism vid rumstemperatur. Med denna metod, Sun et al. styrde spinntransporten i topologiska material via strukturell design, en hittills okänd förmåga hos metamaterial. Arbetet överbryggar klyftan mellan nanofotonik och spinnelektronik för att ge möjligheter att utveckla polarisationskänsliga fotodetektorer.

Kiralitet

Kiralitet är ett allestädes närvarande och fascinerande naturfenomen i naturen, beskriver skillnaden mellan ett objekt och dess spegelbild. Processen manifesteras i en mängd olika skalor och former från galaxer till nanorör och från organiska molekyler till oorganiska föreningar. Kiralitet kan detekteras på atom- och molekylär nivå inom grundvetenskap, inklusive kemi, biologi och kristallografi, liksom i praktiken, såsom inom livsmedels- och läkemedelsindustrin. För att upptäcka kiralitet, forskare kan använda interaktioner med elektromagnetiska fält, även om processen kan hindras av en stor missmatchning mellan ljusets våglängd och storleken på de flesta molekyler vid nanoskala dimensioner. Designer-metamaterial med strukturella egenskaper som kan jämföras med ljusets våglängd kan ge en oberoende metod för att utforma optiska egenskaper på begäran för att förbättra ljus-materia-interaktionen för att skapa och förbättra den optiska kiraliteten hos metamaterial. I det här arbetet, Sun et al. visade tillämpningar av artificiell nanostrukturering för att förbättra det kirala fotogalvaniska svaret av elektromagnetiska fält. De resonanta icke-kirala metamaterialen förbättrade effektivt fotoexciteringen av spinnpolariserade tillstånd. Arbetet visade en jättestor förbättring av det extrinsiska kirala fotoströmmande svaret från en 3D topologisk isolator (TI); som innehåller vismut, antimon, tellur och selen i följande förhållanden:Bi _1.5 Sb _0,5 Te _1.8 Se _1.2 , förkortas som BSTS.

Sun et al. selektivt exciterade ytbärare i topologiska isolatorer genom att rikta cirkulärt polariserat ljus vid sned infallning på kristallens yta. De bestämde det resulterande strömflödet genom att låsa spinnmoment vid bärarna. Den topologiska isolatorkristallen var inneboende achiral, därför genererade fotoexcitation vid normal incidens inte någon helicitetsberoende fotoström (HDPC). Dock, när de utförde spin-selektiv fotoexcitation av yttillståndsbärare med hjälp av snett infallande ljus med en given helicitet, de inducerade kiralitet som beskrivs för metamaterial, via den cirkulära fotogalvaniska effekten (CPGE). Närvaron av en nanostruktur utformad på ytan av de topologiska isolatorerna indikerade en resonansabsorption vid excitationsvåglängden för att effektivt öka antalet ytinduktionsbärare, främjas till bulkledningsband. Denna process ökade signifikant CPGE (cirkulär fotogalvanisk effekt) bidrag till fotoströmmen. I den experimentella inställningen, Sun et al. noterade hur HDPC (helicitetsberoende fotoström) flödade över två guldkontakter på kristallytan utan en applicerad förspänning.

Optisk absorption och metamaterialdesign

För att förstå förstärkningen av kiralitet uteslutande via topologiska ytspinnströmmar, Sun et al. valde en metamaterialsdesign som inte introducerade optisk kiralitet inneboende eller yttre. Teamet valde en metamaterialenhetscell med mönster huggen genom fokuserad jonstrålefräsning mellan två guldelektroder som deponerats på en fling av BSTS, som de observerade med hjälp av skanningelektronmikroskopi (SEM). Metamaterialgeometrin orsakade inte något helicitetsberoende, som Sun et al. bekräftas med hjälp av kartor över elektrisk fältintensitet för cirkulärt polariserat ljus med motsatt hand. Teamet kontrollerade sedan de cirkulära fotogalvaniska effekterna i den topologiska isolatorn med hjälp av metamaterialet. De mätte HDPC (helicitetsberoende fotoström) under nästan likformig belysning utan tillämpad förspänning. Uppsättningen resulterade i polarisationsoberoende fototermoelektriska strömmar som bidrog till fotoströmningsbakgrunden. Strömkomponenten var också känslig för excitationsstrålens position på provet.

Fotoströmsignal

För att mäta tydliga fotoströmsignaler, Sun et al. justerade därefter laserstrålpositionen på BSTS -flingan och BSTS -metamaterialet för att få maximal fotoström. Forskarna noterade hur ytbidragen till fotoströmmarna var märkbara även vid rumstemperatur i ostrukturerade BSTS -prover, medan bulkkomponenter överskuggade deras beroende av lätt helicitet, samtidigt som den är för liten för någon praktisk enhet eller applikation. När laget mönstrade BSTS -flingan med en fyrkantig metamaterialmatris, det betedde sig markant annorlunda. Den resonanta metamaterialstrukturen inducerade större asymmetri i förhållande till ytledande band för att öka nettospinnströmmen. Teamet definierade den ljusströms cirkulära dikroism som induceras av spinnpolariserade yttillstånd och bekräftade HDPC:s ytkarakter i BSTS. Resultaten av studien visade hur metamaterialen inte introducerade kiralitet utan förbättrade den yttre chiraliteten hos BSTS -ytskiktet.

Sun et al. diskuterade sedan fotströmmande beteende hos spinntransportmetamaterial via elektromagnetisk modellering. Den genererade fotoströmmen var direkt proportionell mot den optiska absorptionen, bärartäthet, mobilitet och livslängd för den topologiska isolatorn. Baserat på antagandet att den optiska absorptionen av BSTS -metamaterialet ökade vid nanostrukturering medan transportparametrarna förblev oförändrade, Sun et al. kartlagt bärarens anisotropa optiska modell av BSTS topologiska isolatorkristall. Forskarna utförde fullvågs elektromagnetiska simuleringar för ostrukturerade och nanostrukturerade BSTS, genom att replikera provbelysningsförhållandena som används i experimenten, att förstå den optiska absorptionen vid ytan av den topologiska isolatorn. Den elektromagnetiska modelleringen överensstämde väl med de experimentella HDPC -resultaten.

Syn

På det här sättet, X. Sun och kollegor gav en metod för att använda metamaterial för att styra yttransport i topologiska isolatorer via konstruktion. Denna metod ger en kraftfull verktygslåda för att överbrygga klyftan mellan nanofotonik och spinnelektronik. Teamet visade hur resonanta nanostrukturer inducerade jätteförbättring av det extrinsiska kirala fotoströmmande svaret från en topologisk isolator. Resultaten kan undersökas för att utöva kontroll över spinntransportegenskaper för andra klasser av kvant- och topologiska material.

© 2021 Science X Network