[논문 리뷰] Colossal Photovoltaic Effect Driven by the Singular Berry Curvature in a Weyl Semimetal

Gavin B. Osterhoudt, Laura K. Diebel외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 13.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 Weyl 준금속 TaAs에서 Weyl 노드 근처의 특이한 Berry 곡률에 의해 유도된 실온에서의 거대한 부피 광발전 효과(BPVE)를 입증한다. 빛의 편광을 결정 축에 대해 조절함으로써 연구자들은 거대한 BPVE를 Weyl Fermion의 비자명한 위상학적 성질과 직접적으로 연결지었으며, 이로 인해 이전 측정치보다 한 단계 큰 반응을 달성하여 위상학적 탐지 및 에너지 변환 응용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비자명한 위상학적 성질의 탐지 도구로 부피 광발전 효과(BPVE)를 Weyl 준금속에서 식별하고 측정하는 것.
• Weyl 노드 근처에서 발산하는 Berry 곡률이 증폭된 BPVE를 유도함을 보여주는 것.
• 극도의 조건이나 표면 탐측이 필요 없이 실온에서 부피 민감도를 갖는 전자 위상학 탐측 방법을 수립하는 것.
• Weyl 준금속이 광역 대역 탐지 및 태양/열 에너지 변환 분야에서의 잠재적 응용 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 결정 축에 대한 빛의 편광을 변화시키며 TaAs에서의 부피 광발전 전류를 측정하는 것.
• 운동량 공간의 Berry 곡률 분포를 탐지하기 위해 편광 의존성 광학적 자극을 사용하는 것.
• Weyl 준금속의 비가역적이고 편극성 있는 전자 상태를 활용하여 비선형 광발전에 의한 직류 전류를 증폭하는 것.
• 빛의 휠림과 결정 방향에 따른 BPVE 반응 분석을 통해 위상학적 기여를 분리하는 것.
• 관측 가능한 전류와 Berry 곡률 특이점 사이의 관계를 맺기 위해 부피-경계 상호작용과 운동량 공간에서의 비자명한 파동함수 진화를 활용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부피 광발전 효과는 Weyl 준금속에서 비자명한 위상학적 성질을 견고하고 실온에서 탐지할 수 있는 도구가 될 수 있는가?
• RQ2 Weyl 노드 근처에서 발산하는 Berry 곡률은 TaAs에서 BPVE를 어느 정도 증폭시키는가?
• RQ3 대칭성이 깨진 Weyl 준금속에서 입사 광선의 편광은 광전류 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Weyl 준금속에서의 BPVE는 광역 대역 탐지 또는 에너지 변환과 같은 실용적 응용에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 TaAs에서 거대한 부피 광발전 효과가 관측되었으며, 이는 이전 측정치보다 한 단계 큰 크기를 보였다.
• BPVE의 크기는 결정 축에 대한 입사 빛의 편광에 따라 크게 달라지며, 이는 편극성이고 비가역적인 전자 상태에서 기인함을 확인한다.
• 거대한 BPVE는 Weyl 노드 근처의 특이한 Berry 곡률과 직접적으로 연결되어 있으며, 이는 부피 내에서 비자명한 위상학적 성질이 존재한다는 직접적인 증거를 제공한다.
• 이 효과는 실온 조건에서도 유지되어 냉각 또는 표면 민감도가 필요한 조건 없이 실용적 응용에 적합하다.
• 관측된 BPVE 반응은 전자 위상학 탐지에 충분히 크며, 태양/열 에너지 변환 장치에의 잠재적 응용 가능성을 지닌다.