[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究在室温下于外尔半金属TaAs中展示了巨大的体光伏效应（BPVE），其驱动力源于外尔节点附近奇异的贝里曲率。通过调节光偏振相对于晶体轴的方向，研究人员将巨大的BPVE直接关联到外尔费米子的非平庸拓扑特性，其响应幅度比以往测量结果高出一个数量级，从而实现了拓扑探测与能量转换应用。

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.

研究动机与目标

• 识别并测量外尔半金属中的体光伏效应（BPVE），作为非平庸拓扑特性的探测手段。
• 证明外尔节点附近的发散贝里曲率可增强BPVE。
• 建立一种室温、体敏感的电子拓扑探测方法，无需极端条件或表面探测。
• 探索外尔半金属在宽带光电探测与太阳能/热能转换中的潜在应用。

提出的方法

• 测量TaAs在不同光偏振方向相对于晶体轴时的体光伏电流。
• 利用偏振依赖的光学激发探测动量空间中的贝里曲率分布。
• 利用外尔半金属中非简并、手性的电子态，增强非线性直流电流的产生。
• 通过分析BPVE响应随光手性和晶体取向的变化，分离出拓扑贡献。
• 利用体-边界对应关系及动量空间中非平庸波函数的演化，将可观测电流与贝里曲率奇点联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 体光伏效应能否作为外尔半金属中非平庸拓扑特性的鲁棒、室温探测手段？
• RQ2 外尔节点附近发散的贝里曲率在TaAs中对BPVE的增强程度如何？
• RQ3 入射光的偏振如何影响具有反演对称性破缺的外尔半金属中的光伏响应？
• RQ4 外尔半金属中的BPVE能否被用于实际应用，如宽带探测或能量转换？

主要发现

• 在室温下于TaAs中观测到巨大的体光伏效应，其幅度比以往测量高出一个数量级。
• BPVE的大小强烈依赖于入射光偏振相对于晶体轴的方向，证实其源于手性、非简并的电子态。
• 巨大的BPVE直接与外尔节点附近的奇异贝里曲率相关，为体相中非平庸拓扑提供了直接证据。
• 该效应在常温常压下依然稳定，无需低温或表面敏感条件，适用于实际应用。
• 观测到的BPVE响应足够大，可实现电子拓扑的探测，并具备在太阳能/热能转换器件中应用的潜力。