作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 拓扑绝缘体和拓扑绝缘体超材料中依赖螺旋度的光电流(HDPC)
(一)在非结构拓扑绝缘体(TI)中，自旋耦合到给定圆偏振入射光(蓝色)的狄拉克电子被提升到k空间的更高带；具有相反自旋(红色)的自旋动量锁定表面态电子的过剩产生了HDPC效应(圆形光电流效应)
在钛超材料中，大量的自旋极化电子在共振光吸收时被光激发，增强了HDPC效应
(三)HDPC实验装置的示意图，说明钛装置上的电极相对于激光激发光束的相互取向，入射角θ和偏振由四分之一波片的旋转角φ决定
(四)钛片表面金电极之间雕刻的方形环形超材料的扫描电镜图像
比例尺，左边1微米，右边100纳米
信用:《科学进展》，doi:10
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abe5748 拓扑绝缘体具有显著的电子特性
这种装置中依赖螺旋度的光电流是由表面狄拉克电子的自旋动量锁定支持的，这些电子很弱，很容易被体贡献所掩盖
在一份发表在《科学进展》的新报告中
孙和他在新加坡和美国的光子技术、物理和光子超材料研究团队
K
展示了如何通过纳米结构增强材料的手性响应
共振纳米结构中电磁场的严格限制增强了拓扑绝缘体的自旋极化表面状态的光激发，从而允许圆形光电流效应增加11倍，并且在室温下具有以前未观察到的光电流二色性
利用这种方法，孙等人
通过结构设计控制拓扑材料中的自旋输运，这是超材料迄今未被认识的能力
这项工作填补了纳米光子学和自旋电子学之间的空白，为开发偏振敏感光电探测器提供了机会
手性 手性是自然界中普遍存在的迷人的自然现象，描述了一个物体与其镜像的不同
这一过程表现在从星系到纳米管，从有机分子到无机化合物的各种尺度和形式上
手性可以在基础科学的原子和分子水平上检测到，包括化学、生物学和晶体学，也可以在实践中检测到，例如在食品和制药工业中
为了检测手性，科学家们可以利用与电磁场的相互作用，尽管这一过程可能会受到光波长与大多数纳米尺度分子尺寸之间巨大失配的阻碍
具有与光波长相当的结构特征的设计超材料可以提供一种独立的方法来按需设计光学特性，以增强光-物质相互作用，从而产生和增强超材料的光学手性
在这项工作中，孙等人
展示了人工纳米结构在改善电磁场手性光电响应方面的应用
共振非平超材料有效地改善了自旋极化态的光激发
这项工作显示了三维拓扑绝缘体的非本征手征光电流响应的巨大增强；含有铋、锑、碲和硒，其比例如下:Bi1
5Sb0
5Te1
8Se1
2，缩写为BSTS
BSTS非手性超材料的光吸收增强
非结构化BSTS薄片和纳米结构BSTS超材料的测量(虚线)和模拟(实线)光吸收(实验数据是在非偏振光垂直入射且数值孔径= 0的情况下收集的
7，而模拟对应于θ= 0°和θ= 45°入射的圆偏振光)；在λ = 532 nm时，BSTS超材料的吸收率约为0
7，是非结构化BSTS薄片的两倍(~0
35)
(B和C)分别针对左(LCP)和右(RCP)圆极化，在垂直入射时超材料单元顶面下方10纳米处的电场强度图|E|2
信用:《科学进展》，doi:10
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abe5748 螺旋度相关光电流 孙等
通过将圆偏振光斜入射到晶体表面，在拓扑绝缘体中选择性地激发表面载流子
他们通过载流子的自旋动量锁定来确定最终的电流
拓扑绝缘体晶体本质上是非手性的，因此垂直入射时的光激发不会产生任何螺旋度相关的光电流(HDPC)
然而，当他们使用具有给定螺旋度的斜入射光进行表面态载流子的自旋选择性光激发时，他们通过圆形光电流效应(CPGE)诱导了超材料所描述的手性
拓扑绝缘体表面上设计的纳米结构的存在表明在激发波长下的共振吸收有效地增加了表面感应载流子的数量，促进了体导带
这一过程显著增加了CPGE效应(圆形光电流效应)对光电流的贡献
在实验装置中，孙等
注意在没有外加偏压的情况下，HDPC(螺旋度相关的光电流)是如何流过晶体表面的两个金触点的
光吸收和超材料设计 超材料对BSTS拓扑绝缘体中CPGE的多重增强
(一)(上)HDPC在一个非结构化的BSTS薄片示意图；(下图)在室温下，在非结构化BSTS薄片上测量的实验光电流，符合等式
1，显示了预期的4φ相关性和右(σ+)和左(σ)圆偏振照明之间的小的2φ不对称；(插图)拟合系数C、L1、L2和D，表明在光电流调制中，体光子阻力贡献L2占优势
(上图)纳米结构BSTS超材料中的光HDPC示意图；(下图)室温下在纳米结构BSTS超材料上测量的实验光电流，符合等式
1，显示了超材料如何引起2φ相关性，这表明样品几乎只对右(σ+)和左(σ)圆偏振照明做出响应；(插图)拟合系数C、L1、L2和D，表明CPGE在光电流调制中占优势
信用:《科学进展》，doi:10
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abe5748 为了理解仅通过拓扑表面自旋流来增强手性，孙等
选择了一种超材料设计，这种设计没有内在或外在引入光学手性
研究小组选择了一个超材料单元，其图案通过聚焦离子束在沉积在BSTS薄片上的两个金电极之间铣削而成，他们使用扫描电子显微镜对其进行了观察
这种超材料的几何形状并没有引起任何螺旋度的依赖，孙等人
使用相反旋向的圆偏振光的电场强度图来确定
接下来，研究小组使用超材料控制拓扑绝缘体中的圆形光电流效应
他们在没有外加偏压的几乎均匀光照下测量了HDPC(螺旋度相关光电流)
该装置产生了与偏振无关的光热电流，这有助于光电流背景
电流分量对样品上激发光束的位置也很敏感
光电流信号 为了测量清晰的光电流信号，孙等人
接下来调整激光束在BSTS薄片和BSTS超材料上的位置，以获得最大光电流
科学家们注意到，即使在室温下，在非结构化的BSTS样品中，表面对光电流的贡献也是显而易见的，而大部分成分掩盖了它们对光螺旋度的依赖，同时对于任何实际设备或应用来说都太小了
当研究小组用一个方形环形超材料阵列来图案化BSTS薄片时，它的表现明显不同
谐振超材料结构导致相对于表面导电带更大的不对称性，以增加净自旋电流
研究小组定义了由自旋极化表面态引起的光电流圆二色性，并证实了BSTS HDPC的表面性质
研究结果表明超材料并没有引入手性，而是增强了BSTS表面层的非本征手性
用纳米结构超材料蒸馏BSTS拓扑绝缘体薄片中的CPGE
非结构化BSTS薄片(左栏)和纳米结构BSTS超材料(右栏)在三个不同入射角θ= 45°(顶行)、θ= 0°(中心行)和θ= 45°(底行)下的HDPC归一化极坐标图；在θ= 0°时，L2主要贡献于光电流的调制；在θ= 45°和θ= 45°时，非结构化的BSTS薄片和BSTS超材料的HDPC模式明显不同:相对于非结构化的BSTS薄片，超材料提取了对光电流调制有贡献的C项，其中L1、L2和C具有相当的振幅
(二)非结构化250纳米BSTS薄膜(左栏)和纳米结构BSTS超材料(右栏)在三个不同入射角θ= 45°(顶行)、θ= 0°(中心行)和θ= 45°(底行)下的模拟|E|2，BSTS的光学介电常数εr的手征性人为增加；在非结构BSTS和BSTS超材料中观察到的明显行为与测量的光电流非常好地匹配，表明表面载流子的手征性和超材料给出的增加的吸收如何导致CPGE巨增；|E|2集成在薄膜表面的3纳米薄板中
为了更好地显示实验数据和数值模型的偏振(φ)相关性，我们从每条曲线中减去偏振无关的背景，并将它们归一化
信用:《科学进展》，doi:10
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abe5748 电磁建模 孙等
然后通过电磁模拟讨论了自旋输运超材料的光电流行为
产生的光电流与拓扑绝缘体的光吸收、载流子密度、迁移率和寿命成正比
基于超材料在纳米结构上的光吸收增加而传输参数保持不变的假设，孙等人
映射了BSTS拓扑绝缘体晶体的载流子各向异性光学模型
科学家对非结构化和纳米结构的BSTS进行了全波电磁模拟，通过复制实验中使用的样品照明条件，来了解拓扑绝缘体表面的光吸收
电磁模拟结果与HDPC实验结果吻合良好
前景 就这样，X
孙和他的同事提供了一种通过结构设计使用超材料控制拓扑绝缘体表面输运的方法
这种方法为弥合纳米光子学和自旋电子学之间的差距提供了一个强大的工具箱
该团队展示了共振纳米结构如何诱导拓扑绝缘体的非本征光电流响应的巨大增强
这些结果可以用来控制其他种类的量子和拓扑材料的自旋输运性质
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