[論文レビュー] Berry Curvature Enhanced Nonlinear Photogalvanic Response of Type-II Weyl Cone

Junchao Ma, Qiangqiang Gu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、TaIrTe4のType-IIワイルドノードにおけるベリー曲率の特異点が非線形光電流応答を高め、三次非線形光学によって駆動される室温での大きな光応答性を生み出すことを示している。

ABSTRACT

The experimental manifestation of topological effects in bulk materials under ambient conditions, especially those with practical applications, has attracted enormous research interest. Recent discovery of Weyl semimetal provides an ideal material platform for such endeavors. The Berry curvature in a Weyl semimetal becomes singular at the Weyl node, creating an effective magnetic monopole in the k-space. A pair of Weyl nodes carry quantized effective magnetic charges with opposite signs, and therefore, opposite chirality. Although Weyl-point-related signatures such as chiral anomaly and non-closing surface Fermi arcs have been detected through transport and ARPES measurements, direct experimental evidence of the effective k-space monopole of the Weyl nodes has so far been lacking. In this work, signatures of the singular topology in a type-II Weyl semimetal TaIrTe4 is revealed in the photo responses, which are shown to be directly related to the divergence of Berry curvature. As a result of the divergence of Berry curvature at the Weyl nodes, TaIrTe4 exhibits unusually large photo responsivity of 130.2 mA/W with 4-μm excitation in an unbiased field effect transistor at room temperature arising from the third-order nonlinear optical response. The room temperature mid-IR responsivity is approaching the performance of commercial HgCdTe detector operating at low temperature, making Type-II Weyl semimetal TaIrTe4 of practical importance in terms of photo sensing and solar energy harvesting. Furthermore, the high shift photocurrent response at the Weyl cones is found to enhance the circularly polarized galvanic response from Weyl cones with opposite chirality, which opens new experimental possibilities for studying and controlling the chiral polarization of Weyl Fermions through an in-plane DC electric field in addition to the optical helicities.

研究の動機と目的

• 常温条件下でのバルク材料におけるトポロジカルな署名を探索する動機付け。
• Weylノードのベリー曲率の特異点が非線形光学応答に与える影響を調べる。
• 光応答を定量化し、センシングおよび太陽エネルギー利用のデバイス応用の可能性を評価する。
• 光励起下でのWeylノードのキラリティとベリー曲率が電流生成に与える影響を示す。

提案手法

• Weylノードで特異なベリー曲率を有するType-II Weyl半金属としてTaIrTe4を分析する。
• バイアスなしの場効果トランジスタにおいて、中赤外域4 μm励起で光応答を測定する。
• 観測された応答をWeylノード近傍のベリー曲率の発散に帰属させる。
• 三次非線形光学的寄与をこの応答の機構として同定する。
• Weylコーンのキラリティに関連する円偏光のギャルバニック応答を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Type-II Weyl半導体におけるWeylノードのベリー曲率発散は、非線形光ジャルバン現象にどのような影響を与えるか。
• RQ2 TaIrTe4は三次非線形過程によって駆動される大きな室温の光応答性を示せるか。
• RQ3 Weylノードのキラリティは、面内電場下の円偏光光電流を増強するか。
• RQ4 中赤外波長における光検出および太陽エネルギー回収のためのTaIrTe4の実用性はどの程度か。

主な発見

• 室温でバイアスなしのFETで4 μm励起時、130.2 mA/Wの異常に大きい光応答性。
• 応答性は三次非線形光学応答に起因する。
• 観測された応答はWeylノードにおけるベリー曲率の発散と相似している。
• Weylコーンでの高いシフト光電流は、対になった対のキラリティ間の円偏光ギャルバニック応答を強化する。
• 中赤外領域での室温性能は低温動作の HgCdTe検出器とほぼ同等であり、実用的なセンシングポテンシャルを示唆する。