[论文解读] Topological Insulator Metamaterial with Giant Circular Photogalvanic Effect

Xinxing Sun, Giorgio Adamo+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 42被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2的拓扑绝缘体超材料，通过纳米结构共振场约束实现了圆二向色性光电流效应11倍的增强。该设计在室温下实现了创纪录的0.87光电流二色性，利用自旋-动量锁定和工程化电磁热点，放大了手性依赖的光电流，从而实现偏振敏感的光电探测。

ABSTRACT

One of the most striking manifestations of electronic properties of topological insulators is the dependence of the photocurrent direction on the helicity of circularly polarized optical excitation. The helicity dependent photocurrents, underpinned by spin-momentum locking of surface Dirac electrons, are weak and easily overshadowed by bulk contributions. Here we show that the chiral response can be enhanced by nanostructuring. The tight confinement of electromagnetic fields in the resonant nanostructure enhances the photoexcitation of spin-polarized surface states of topological insulator Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2, leading to an 11-fold increase of the circular photogalvanic effect and an unprecedented photocurrent dichroism ( {ho}circ=0.87) at room temperature. The control of spin-transport in topological materials by structural design is a previously unrecognised ability of metamaterials that bridges the gap between nanophotonics and spin-electronics, providing new opportunities for developing polarization sensitive photodetectors.

研究动机与目标

• 克服传统拓扑绝缘体中微弱且易被掩盖的手性依赖光电流。
• 设计一种超材料结构，通过增强电磁场约束以放大表面态光激发。
• 实现强效、室温下的圆二向色性光电流效应，以满足实际自旋电子学与光子学应用需求。
• 证明超材料中的结构设计可调控拓扑材料中的自旋输运。

提出的方法

• 将Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2纳米结构化为周期性亚波长图案，以增强局域电磁场。
• 利用拓扑表面态的自旋-动量锁定特性，生成手性依赖的光电流。
• 采用有限元模拟与实验表征相结合，绘制光电流的空间分布与偏振依赖性。
• 在圆偏振光激发下测量光电流二色性（ρcirc），以量化手性响应。
• 优化超材料的几何结构，以最大化表面态处的场增强。
• 通过与体相贡献及对照样品的比较，验证增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 对拓扑绝缘体进行纳米结构化是否可使其圆二向色性光电流效应超越本征极限？
• RQ2 在超材料中，电磁场约束在多大程度上可放大自旋极化表面态的光激发？
• RQ3 在室温下，拓扑绝缘体超材料可实现的最大光电流二色性是多少？
• RQ4 超材料的结构设计在多大程度上影响自旋输运与手性光电流响应？
• RQ5 超材料工程是否能有效将表面态光电流与主导的体相贡献分离开来？

主要发现

• 与体相拓扑绝缘体薄膜相比，该超材料设计实现了11倍的圆二向色性光电流效应增强。
• 在室温下测得创纪录的光电流二色性ρcirc = 0.87，表明具有强烈的手性依赖光电流生成能力。
• 增强效应归因于谐振纳米结构中紧密的电磁场约束，选择性激发表面狄拉克电子。
• 体相态的贡献显著被抑制，证实了在工程化结构中表面态光电流占主导地位。
• 所观测到的手性光电流在室温下具有鲁棒性，可实现偏振敏感光电探测器的实际应用。
• 结果表明，超材料工程可用于调控拓扑材料中的自旋输运，实现了纳米光子学与自旋电子学的桥梁。