[論文レビュー] Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4

Jiawei Lai, Junchao Ma+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2022

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、タイプ-IIウェイル半金属TaIrTe4を用いた光検出器を用いて、中赤外域における軌道的角運動量（OAM）の直接検出を実証した。特徴的な電極形状を活用した軌道的光ギャルバニック効果により、ビーム軸回りの電流がOAMモード数に比例して発生し、位相的に強化された効率を達成。これにより、中赤外応用向けにオンチップOAM感受性焦点面アレイの実現が可能になった。

ABSTRACT

The capability of direct photocurrent detection of orbital angular momentum (OAM) of light has recently been realized with topological Weyl semimetal, but limited to near infrared wavelength range. The extension of direct OAM detection to midinfrared, a wavelength range that plays important role in a vast range of applications, such as autonomous driving, night vision and motion detection, is challenging and has not yet been realized. This is because most studies of photocurrent responses are not sensitive to the phase information and the photo response is usually very poor in the mid-infrared. In this study, we designed a photodetector based on Type-II Weyl semimetal tantalum iridium tellurides with designed electrode geometries for direct detection of the topological charge of OAM through orbital photogalvanic effect. Our results indicate helical phase gradient of light can be distinguished by a current winding around the optical beam axis with a magnitude proportional to its quantized OAM mode number. The topological enhanced response at mid-infrared of TaIrTe4 further help overcome the low responsivity issues and finally render the direct orbital angular momentum detection capability in mid-infrared. Our study enables on-chip integrated OAM detection, and thus OAM sensitive focal plane arrays in mid-infrared. Such capability triggers new route to explore applications of light carrying OAM, especially that it can crucially promote the performance of many mid-infrared imaging related applications, such as intricate target recognition and night vision.

研究の動機と目的

• 近赤外から中赤外スペクトルへのOAM直接検出の拡張を図ること。これは、夜間視界や動き検出などの応用において極めて重要である。
• 中赤外光検出器に一般的に見られる低い光電流応答性と位相への感受性の欠如という課題を克服すること。
• タイプ-IIウェイル半金属の位相的性質を活用し、光応答性を強化するとともに、直接的なOAM検出を可能とすること。
• ヘリカルな電流巻き込みを可能とする設計された電極形状を有するデバイスを設計し、OAMモードの量子化された識別を実現すること。

提案手法

• 強力な位相的応答性と中赤外域への増幅吸収を示すため、活性光検出材料としてタイプ-IIウェイル半金属TaIrTe4を採用した。
• OAMモード数に比例する方向性光電流を生成するため、非対称でらせん状の電極形状を有する光検出器を設計した。
• 軌道的光ギャルバニック効果を採用。OAMを運ぶ光のヘリカル位相勾配が、ビーム軸回りのキラルな光電流を誘発する。
• 異なるOAMモードで照射した際の光電流の大きさと方向を測定し、量子化応答性とモード識別性を確認した。
• TaIrTe4が有する内在的位相的保護を活用し、中赤外域における効率を向上させ、一般的な低効率問題を克服した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相的半金属を用いたタイプ-IIウェイル半金属を用いて、中赤外域におけるOAMの直接検出が可能か？
• RQ2 OAMを運ぶ光のヘリカル位相勾配が、TaIrTe4で量子化され、方向性を持つ光電流を誘発するか？
• RQ3 タイプ-IIウェイル半金属TaIrTe4の位相的応答性が、中赤外光検出器で一般的に見られる低効率を克服できるか？
• RQ4 測定可能な電流巻き込みにより、デバイスが異なるOAMモード数を区別できるか？

主な発見

• 光検出器は、光ビーム軸回りの電流巻き込みによりOAMモードを区別し、その大きさが量子化されたOAMモード数に比例することを確認した。
• デバイスは中赤外域で位相的に強化された光電流応答性を示し、従来材料と比較して顕著に効率が向上した。
• 測定された光電流の向きはOAMモードの符号に応じて反転し、ヘリカル位相勾配に対するキラル応答性が確認された。
• 本研究では、従来の技術では到達できなかった中赤外域における直接OAM検出が達成された。
• 本成果により、中赤外イメージングシステム向けにオンチップOAM感受性焦点面アレイの設計が可能になった。