[論文レビュー] Colossal Photovoltaic Effect Driven by the Singular Berry Curvature in a Weyl Semimetal

Gavin B. Osterhoudt, Laura K. Diebel+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、ワイル半金属TaAsにおいて、ワイルノード付近の特異的ベリー曲率に起因する室温での巨大なバルクフォトボルタイック効果（BPVE）を実証した。光の偏光を結晶軸に対して変化させることで、研究者たちは巨大BPVEをワイルフェルミオンの非自明な位相的性質と直接的に関連づけ、従来の測定値と比べて1桁大きい応答を達成した。これにより、位相的検出およびエネルギー変換の応用が可能になった。

ABSTRACT

The non-trivial evolution of wavefunctions in momentum space leads to novel phases and responses. As with any topological property, a key challenge lies in finding experiments that identify the non-local characteristics. Indeed, revealing this Berry curvature often requires extreme conditions and/or surface sensitive probes. These rely on measuring the Berry phase acquired through a closed loop evolution in momentum space, or through the bulk-boundary correspondence leading to new states at the surface. Alternatively, various components of the electronic structure can be detected by the bulk photovoltaic effect (BPVE) where non-linearity rectifies light to dc currents. Weyl semimetals are particularly promising, as their non-degenerate, Dirac-like, chiral states produce diverging Berry curvature. Here we report a room temperature, colossal BPVE in the Weyl semimetal TaAs, which is an order of magnitude larger than any previous measurement. By varying the polarization of light with respect to the crystal axis, we establish the collosal BPVE resulting from the non-trivial topology of Weyl fermions, i.e. the diverging Berry curvature near the Weyl nodes. The BPVE in Weyl semiemtals we uncover can be exploited for detecting electron topology, broadband detectors, and solar/thermal energy conversion.

研究の動機と目的

• ワイル半金属におけるバルクフォトボルタイック効果（BPVE）を、非自明な位相のプローブとして同定および測定すること。
• ワイルノード付近での発散するベリー曲率が、強化されたBPVEを生成することを実証すること。
• 極端な条件や表面プローブを必要とせず、室温でバルク感受性のある電子位相の検出手法を確立すること。
• ワイル半金属が広帯域フォト検出および太陽光／熱エネルギー変換の分野で果たせる可能性を調査すること。

提案手法

• 結晶軸に対する光の偏光を変化させた条件下で、TaAsにおけるバルクフォトボルタイック電流を測定した。
• 運動量空間におけるベリー曲率分布をプローブするため、偏光依存性の光学励起を用いた。
• ワイル半金属に特有の非縮退的・キラル性を持つ電子状態を活用し、直流電流の非線形生成を強化した。
• 光のヘリシティおよび結晶方位を関数としてBPVE応答を分析し、位相的寄与を分離した。
• 運動量空間におけるボトムアップ対応関係および非自明な波動関数の進化を活用し、観測可能な電流とベリー曲率特異点を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクフォトボルタイック効果は、ワイル半金属における非自明な位相の強固で室温動作可能なプローブとして機能できるか？
• RQ2 ワイルノード付近での発散するベリー曲率は、TaAsにおけるBPVEをどの程度強化するか？
• RQ3 空間反転対称性が破れているワイル半金属において、入射光の偏光はフォトボルタイック応答にどのように影響するか？
• RQ4 ワイル半金属におけるBPVEは、広帯域検出やエネルギー変換の実用的応用に活用可能か？

主な発見

• 室温でTaAsに巨大会なバルクフォトボルタイック効果が観測され、従来の測定値を1桁上回った。
• BPVEの大きさは、入射光の偏光が結晶軸に対してどのように配置されているかに強く依存しており、これがキラルで非縮退的電子状態に起因することを確認した。
• 巨大BPVEは、ワイルノード付近の特異的ベリー曲率と直接的に関連しており、バルク内での非自明な位相の直接的証明となった。
• 環境条件下でも効果が維持されることから、冷却や表面プローブを要しない実用的応用に適している。
• 観測されたBPVE応答は十分に大きく、電子位相の検出や太陽光／熱エネルギー変換デバイスへの応用が可能である。