npj:拓扑—让电子与光共舞

中国鑫

原标题：npj: 拓扑—让电子与光共舞

npj: 拓扑—让电子与光共舞

非线性光学在太阳能、光探测等诸多方面都具有紧张应用，因此恒久以来不停受到物理学家、化学家、质料学家和工程师们的广泛关注。比年来，一种体光伏效应（Bulk photovoltaic effect）引起了极大的研究爱好。体光伏效应有着很多紧张的潜伏应用，好比,它可以将光能转换成电能。与传统太阳能电池所用的pn结相比，体光伏效应不受肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit）的限定，而且能产生高于质料自己能隙的电压，因此可被用于下一代的太阳能电池技能。另一方面，体光伏效应也能应用于光探测，尤其是在红外到太赫兹（THz）波段。

与传统的红外探测器（好比HgCdTe探测器）相比，基于体光伏效应的探测器不必要偏压，困扰很多传统光电探测器的暗电流题目也因此可以得到缓解。为了实现这些应用，必须进步质料的非线性光学相应，使其在低输入下到达人们预期的服役结果。固然人们已经探求到了许多新的潜伏质料，但一个常见的题目是，可否在理论上给出相对比力通用的方案，而且依照这一方案完成质料计划。

来自麻省理工学院的李巨(Ju Li)传授组在前期论文中就指出，拓扑绝缘质料有着良好的线性光学相应[J. Phys. Chem. Lett., 11, 6119–6126 (2020)]。值得阐明的是，在拓扑绝缘质料中，电子态会出现一种不太常见的杂化，它使得这些半导体（或绝缘体）质料的电子布局和平凡的硅大概金刚石质料看起来很雷同，但实质上具有差别的电子拓扑数。这有一点像平凡的纸环和墨比乌斯环一样，粗看起来都是三维空间中的物体，但现实上完全差别。

物理学家已经指出，这种拓扑绝缘质料中的电子能带布局和平凡绝缘体（硅或金刚石）相比多了一次能带反转（就像墨比乌斯环一样）。李巨传授课题组指出，这一反转会让价带和导带的电子波函数有更强的杂化，从而使得电子在价带和导带间的跃迁变得更轻易，质料也能因此得到良好的光学相应。

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近期，李巨传授课题组团结MIT孔敬(Jing Kong)传授课题组，将这一头脑进一步拓展至非线性光学质料中[npj Computational Materials 7, 31 (2021)]，提出同时拥有：

除了拓扑能带杂化之外，猛烈的空间不对称性会使得空间中的两个相反的方向（好比向左和向右）变得非常差别，如许电子朝着某一个特定的方向移动的意愿强，而向着反方向移动的意愿弱。如许的话，就可以或许产生更大的净电流。而能隙小的时间，电子在价带和导带之间的跃迁也会变快。这有点儿像上台阶时，假如台阶比力矮，那么上起来就会比力轻易。

基于上述原理和孔敬传授课题组前期在二维非对称质料（Janus transitionmetal dichalcogenides, JTMDs）中的实行结果，他们通过量子力学第一性原理的方法，猜测了一类新型的拓扑1T’相的Janus过渡金属硫化物，发现它们具有巨大的非线性光电导性。

通过第一性原理盘算，他们发现1T’ JTMDs的位移电流电导率可以到达2300 nm·㯊·V−2（相称于2800 mA/W），而circular current电导率则能到达104 nm·㯊·V−2量级。这比已往常用的非线性质料的光学相应加强了1至2个数目级。也就是说，与之前常见的质料相比，人们可以用更低强度的光照射JTMD质料，在质料中得到更大的光电流。

由于1T’ JTMDs的能隙很小（10 meV量级，相称于2.5 THz），THz波段的光就可以将电子从价带引发到导带上形成光电流。因此1T’ JTMDs可以用来探测THz波段的光。值得指出的是，通常半导体质料的能隙都在1 eV量级，因此它们只能用到探测可见到紫外波段的光，对远红外到THz波段的光则没有相应。

该团队进一步发现，使用弹性形变和外加电场如许的外部刺激可以让1T’JTMDs中电子的波函数发生进一步的扭转，从而导致电子态的拓扑相变。在相变前后位移电流的方向会发生反转。如许一个光电流方向的骤变可以用来表征拓扑相变，在光力学、光电子学中也有潜伏应用。该研究有助于加深对拓扑质料光电性子的明白，而且为将来探求更多具有良好光电性子的质料提供了理论参考。

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