[논문 리뷰] Berry Curvature Enhanced Nonlinear Photogalvanic Response of Type-II Weyl Cone

Junchao Ma, Qiangqiang Gu외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 22.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 35인용 수 73

한 줄 요약

논문은 Berry curvature 특이점이 TaIrTe4의 Type-II Weyl 노드에서 비선형 photogalvanic 응답을 강화해 제3차 비선형 광학에 의해 구동되는 실온의 큰 photoresponsivity를 초래한다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상온 조건에서 벌크 물질에서 위상적 서명을 탐색하도록 동기를 부여한다.
• Weyl 노드의 Berry curvature 특이점이 비선형 광학 응답에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• 광응답을 정량화하고 센싱 및 태양 에너지 하베스팅을 위한 잠재적 소자 응용을 평가한다.
• Weyl 노드의 카이럴함과 Berry curvature가 광자적 여기에서 전류 생성에 미치는 영향을 보인다.

제안 방법

• Weyl 노드에서 특이한 Berry curvature를 가진 Type-II Weyl 준동질체로서 TaIrTe4를 분석한다.
• 바이어스 없는 FET에서 mid-IR, 4-μm 광 Excitation 하의 광응답을 측정한다.
• Weyl 노드 근처 Berry curvature의 발산으로 관측된 응답을 해석한다.
• 응답의 기작으로써 제3차 비선형 광학 기여를 지목한다.
• Weyl cone 카이럴함과 연결된 원형 편광 galvanic 응답을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weyl 노드의 Berry curvature 발산이 Type-II Weyl 준금속에서의 비선형 photogalvanic 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 TaIrTe4가 제3차 비선형 과정을 구동하는 큰 실온 광응답성을 보일 수 있는가?
• RQ3 Weyl 노드의 카이럴성은 평면 내 전기장 하에서 원형 편광 광전류를 강화하는가?
• RQ4 mid-IR 파장에서 TaIrTe4의 광 검출 및 태양 에너지 수확의 실용성은 어떠한가?

주요 결과

• 실온에서 unbiased FET로 4-μm 광 Excitation에서 130.2 mA/W의 비정상적으로 큰 광응답성을 보인다.
• 응답은 제3차 비선형 광학 응답에서 기인한다.
• 관측된 응답은 Weyl 노드에서 Berry curvature의 발산과 유사하게 나타난다.
• Weyl cone의 높은 시프트 광전류가 서로 다른 카이럴성 간의 원형 편광 galvanic 응답을 증가시킨다.
• 중적파 mid-IR 실온 성능이 저온에서 작동하는 HgCdTe 검출기와 비슷해 실용적 센싱 가능성을 시사한다.