Topologische isolatoren hebben opmerkelijke manifestaties van elektronische eigenschappen. De heliciteitsafhankelijke fotostromen in dergelijke apparaten worden ondersteund door spin-momentum-vergrendeling van Dirac-elektronen aan het oppervlak die zwak zijn en gemakkelijk overschaduwd worden door bulkbijdragen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , X. Sun en een onderzoeksteam in fotonische technologieën, fysica en fotonische metamaterialen in Singapore en het VK lieten zien hoe de chirale respons van materialen kan worden verbeterd via nanostructurering. De strakke opsluiting van elektromagnetische velden in de resonerende nanostructuren versterkte de foto-excitatie van spin-gepolariseerde oppervlaktetoestanden van een topologische isolator om een ​​11-voudige toename van het circulaire fotogalvanische effect en een voorheen niet-waargenomen fotostroom dichroïsme bij kamertemperatuur mogelijk te maken. Met behulp van deze methode, Zon et al. controleerde het spintransport in topologische materialen via constructief ontwerp, een tot nu toe niet erkend vermogen van metamaterialen. Het werk overbrugt de kloof tussen nanofotonica en spin-elektronica om mogelijkheden te bieden om polarisatiegevoelige fotodetectoren te ontwikkelen.

chiraliteit

Chiraliteit is een alomtegenwoordig en fascinerend natuurverschijnsel in de natuur, beschrijft het verschil tussen een object en zijn spiegelbeeld. Het proces manifesteert zich in verschillende schalen en vormen, van sterrenstelsels tot nanobuisjes en van organische moleculen tot anorganische verbindingen. Chiraliteit kan worden gedetecteerd op atomair en moleculair niveau in fundamentele wetenschappen, inclusief scheikunde, biologie en kristallografie, evenals in de praktijk, zoals in de voedings- en farmaceutische industrie. Om chiraliteit te detecteren, wetenschappers kunnen interacties met elektromagnetische velden gebruiken, hoewel het proces kan worden gehinderd door een grote discrepantie tussen de golflengte van licht en de grootte van de meeste moleculen op nanoschaaldimensies. Designer-metamaterialen met structurele kenmerken die vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht, kunnen een onafhankelijke benadering bieden om op verzoek optische eigenschappen te bedenken om de interactie tussen licht en materie te verbeteren om de optische chiraliteit van metamaterialen te creëren en te verbeteren. In dit werk, Zon et al. toonde toepassingen van kunstmatige nanostructurering om de chirale fotogalvanische respons van elektromagnetische velden te verbeteren. De resonerende niet-chirale metamaterialen verbeterden effectief de foto-excitatie van spin-gepolariseerde toestanden. Het werk toonde een gigantische verbetering van de extrinsieke chirale fotostroomrespons van een 3D-topologische isolator (TI); met bismut, antimoon, tellurium en selenium in de volgende verhoudingen:Bi _1.5 sb _0,5 Te _1.8 Se _1.2 , afgekort als BSTS.

Zon et al. selectief geëxciteerde oppervlaktedragers in topologische isolatoren door circulair gepolariseerd licht schuin op het oppervlak van het kristal te richten. Ze bepaalden de resulterende stroom door spin-impulsvergrendeling bij de dragers. Het topologische isolatorkristal was intrinsiek achiraal, daarom veroorzaakte foto-excitatie bij normale incidentie geen heliciteitsafhankelijke fotostroom (HDPC). Echter, toen ze spin-selectieve foto-excitatie uitvoerden van dragers in oppervlaktetoestanden met behulp van schuin invallend licht met een bepaalde heliciteit, ze induceerden chiraliteit zoals beschreven voor metamaterialen, via het circulaire fotogalvanische effect (CPGE). De aanwezigheid van een nanostructuur ontworpen op het oppervlak van de topologische isolatoren duidde op een resonante absorptie bij de golflengte van excitatie om het aantal oppervlakte-inductiedragers effectief te vergroten, gepromoveerd tot de bulkgeleidingsbanden. Dit proces verhoogde de bijdrage van CPGE (circulair fotogalvanisch effect) aan de fotostroom aanzienlijk. In de proefopstelling is Zon et al. merkte op hoe de HDPC (helicity-dependent photocurrent) over twee gouden contacten op het kristaloppervlak stroomde zonder een toegepaste bias.

Optische absorptie en metamateriaalontwerp

Om de verbetering van chiraliteit uitsluitend via topologische oppervlakte-spinstromen te begrijpen, Zon et al. koos voor een metamateriaalontwerp dat intrinsieke of extrinsieke optische chiraliteit niet introduceerde. Het team selecteerde een eenheidscel met metamateriaal met patronen gesneden door gefocusseerde ionenbundelfrezen tussen twee gouden elektroden afgezet op een vlok BSTS, die ze observeerden met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). De geometrie van het metamateriaal veroorzaakte geen enkele helicity-afhankelijkheid, die Sun et al. bevestigd met behulp van kaarten van elektrische veldintensiteit voor circulair gepolariseerd licht van tegengestelde handigheid. Het team controleerde vervolgens de circulaire fotogalvanische effecten in de topologische isolator met behulp van het metamateriaal. Ze maten de HDPC (helicity-dependent photocurrent) onder bijna uniforme verlichting zonder een toegepaste bias. De opstelling resulteerde in polarisatie-onafhankelijke fotothermo-elektrische stromen die bijdroegen aan de fotostroomachtergrond. De component van de stroom was ook gevoelig voor de positie van de excitatiebundel op het monster.

Fotostroom signaal

Om duidelijke fotostroomsignalen te meten, Zon et al. vervolgens de positie van de laserstraal op de BSTS-vlok en het BSTS-metamateriaal aangepast om de maximale fotostroom te verkrijgen. De wetenschappers merkten op hoe de oppervlaktebijdragen aan de fotostromen waarneembaar waren, zelfs bij kamertemperatuur in ongestructureerde BSTS-monsters, terwijl bulkcomponenten hun afhankelijkheid van lichthelicity overschaduwden, terwijl het te klein is voor een praktisch apparaat of toepassing. Toen het team de BSTS-vlok vormde met een metamateriaalarray met vierkante ringen, het gedroeg zich duidelijk anders. De resonerende metamateriaalstructuur induceerde grotere asymmetrie ten opzichte van oppervlaktegeleidende banden om de netto spinstroom te vergroten. Het team definieerde het fotostroom circulair dichroïsme dat wordt veroorzaakt door spin-gepolariseerde oppervlaktetoestanden en bevestigde de oppervlakteaard van HDPC in BSTS. De resultaten van de studie toonden aan hoe de metamaterialen geen chiraliteit introduceerden, maar de extrinsieke chiraliteit van de BSTS-oppervlaktelaag versterkten.

Zon et al. besprak vervolgens het fotostroomgedrag van spin-transportmetamaterialen via elektromagnetische modellering. De gegenereerde fotostroom was recht evenredig met de optische absorptie, dragerdichtheid, mobiliteit en levensduur van de topologische isolator. Gebaseerd op de veronderstelling dat de optische absorptie van het BSTS-metamateriaal toenam bij nanostructurering terwijl de transportparameters ongewijzigd bleven, Zon et al. bracht het drager anisotrope optische model van het BSTS topologische isolatorkristal in kaart. De wetenschappers voerden full-wave elektromagnetische simulaties uit voor ongestructureerde en nanogestructureerde BSTS, door de belichtingsomstandigheden van het monster te repliceren die in de experimenten werden gebruikt, om de optische absorptie aan het oppervlak van de topologische isolator te begrijpen. De elektromagnetische modellering kwam goed overeen met de experimentele HDPC-resultaten.

Outlook

Op deze manier, X. Sun en collega's leverden een methode om metamaterialen te gebruiken om oppervlaktetransport in topologische isolatoren te regelen via structureel ontwerp. Deze methode biedt een krachtige toolbox om de kloof tussen nanofotonica en spin-elektronica te overbruggen. Het team liet zien hoe resonante nanostructuren een gigantische verbetering van de extrinsieke chirale fotostroomrespons van een topologische isolator induceerden. De resultaten kunnen worden onderzocht om controle uit te oefenen op spintransporteigenschappen van andere klassen van kwantum- en topologische materialen.

© 2021 Science X Network