Fotocorrente dipendente dall'elicità (HDPC) in isolanti topologici e metamateriali di isolanti topologici. (A) In un isolante topologico non strutturato (TI), Gli elettroni di Dirac con spin accoppiato ad una data polarizzazione circolare della luce incidente (blu) sono promossi a bande superiori nel k-spazio; l'eccesso di elettroni di stato superficiale con spin-momento bloccato con spin opposto (rosso) dà origine a un HDPC, ja (effetto fotogalvanico circolare). (B) In un metamateriale TI, un numero maggiore di elettroni spin polarizzati viene fotoeccitato per assorbimento di luce risonante, migliorare l'HDPC. (C) Schema del setup sperimentale HDPC, illustrante l'orientamento reciproco degli elettrodi sul dispositivo TI rispetto al raggio di eccitazione laser all'angolo di incidenza e polarizzazione definita dall'angolo di rotazione della lamina a quarto d'onda. (D) Immagine SEM del metamateriale ad anello quadrato scolpito tra gli elettrodi di Au sulla superficie di un fiocco di TI. Barre della scala, 1 μm a sinistra e 100 nm a destra. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe5748
Gli isolanti topologici hanno notevoli manifestazioni di proprietà elettroniche. Le fotocorrenti dipendenti dall'elicità in tali dispositivi sono sostenute dal blocco del momento di spin degli elettroni di Dirac di superficie che sono deboli e facilmente oscurati dai contributi di massa. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , X. Sun e un gruppo di ricerca nelle tecnologie fotoniche, la fisica e i metamateriali fotonici a Singapore e nel Regno Unito hanno mostrato come la risposta chirale dei materiali potrebbe essere migliorata tramite la nanostrutturazione. Lo stretto confinamento dei campi elettromagnetici nelle nanostrutture risonanti ha potenziato la fotoeccitazione degli stati di superficie spin-polarizzati di un isolante topologico per consentire un aumento di 11 volte dell'effetto fotogalvanico circolare e un dicroismo fotocorrente precedentemente non osservato a temperatura ambiente. Usando questo metodo, Sole et al. controllato il trasporto di spin in materiali topologici tramite progettazione strutturale, una capacità finora non riconosciuta dei metamateriali. Il lavoro colma il divario tra la nanofotonica e l'elettronica di spin per fornire opportunità per sviluppare fotorivelatori sensibili alla polarizzazione.
chiralità
La chiralità è un fenomeno naturale onnipresente e affascinante in natura, descrivere la differenza di un oggetto dalla sua immagine speculare. Il processo si manifesta in una varietà di scale e forme dalle galassie ai nanotubi e dalle molecole organiche ai composti inorganici. La chiralità può essere rilevata a livello atomico e molecolare nelle scienze fondamentali, compresa la chimica, biologia e cristallografia, oltre che in pratica, come nell'industria alimentare e farmaceutica. Per rilevare la chiralità, gli scienziati possono utilizzare le interazioni con i campi elettromagnetici, sebbene il processo possa essere ostacolato da una grande discrepanza tra la lunghezza d'onda della luce e la dimensione della maggior parte delle molecole su scala nanometrica. I metamateriali di design con caratteristiche strutturali paragonabili alla lunghezza d'onda della luce possono fornire un approccio indipendente per ideare proprietà ottiche su richiesta per migliorare l'interazione luce-materia per creare e migliorare la chiralità ottica dei metamateriali. In questo lavoro, Sole et al. hanno mostrato applicazioni della nanostrutturazione artificiale per migliorare la risposta fotogalvanica chirale dei campi elettromagnetici. I metamateriali risonanti non chirali hanno efficacemente migliorato la fotoeccitazione degli stati spin-polarizzati. Il lavoro ha mostrato un enorme miglioramento della risposta fotocorrente chirale estrinseca di un isolante topologico 3D (TI); contenente bismuto, antimonio, tellurio e selenio nei seguenti rapporti:Bi 1.5 Sb 0,5 Te 1.8 Vedi 1.2 , abbreviato in BSTS.
Miglioramento dell'assorbimento ottico nel metamateriale achirale BSTS. (A) Assorbimento ottico misurato (linee tratteggiate) e simulato (linee continue) di un fiocco BSTS non strutturato e un metamateriale BSTS nanostrutturato (i dati sperimentali sono stati raccolti con luce non polarizzata a incidenza normale e apertura numerica =0,7, mentre le simulazioni corrispondono a luce polarizzata circolarmente incidente a =0° e θ =45°); a =532 nm, l'assorbimento del metamateriale BSTS è ~ 0,7, il doppio di quello del fiocco BSTS non strutturato (~0,35). (B e C) Mappe dell'intensità del campo elettrico, |E|2, a 10 nm al di sotto della superficie superiore della cella unitaria metamateriale a incidenza normale, per polarizzazione circolare sinistra (LCP) e destra (RCP), rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe5748 
Sole et al. portatori di superficie selettivamente eccitati in isolanti topologici dirigendo la luce polarizzata circolarmente ad incidenza obliqua sulla superficie del cristallo. Hanno determinato il flusso di corrente risultante bloccando lo spin-momento ai portatori. Il cristallo isolante topologico era intrinsecamente achirale, pertanto la fotoeccitazione ad incidenza normale non ha generato alcuna fotocorrente dipendente dall'elicità (HDPC). Però, quando hanno condotto la fotoeccitazione selettiva per lo spin di portatori di stati superficiali utilizzando luce incidente obliquamente con una data elicità, hanno indotto la chiralità come descritto per i metamateriali, tramite l'effetto fotogalvanico circolare (CPGE). La presenza di una nanostruttura disegnata sulla superficie degli isolanti topologici ha indicato un assorbimento risonante alla lunghezza d'onda di eccitazione per aumentare efficacemente il numero di portatori di induzione superficiale, promosso alle bande di conduzione di massa. Questo processo ha aumentato significativamente il contributo del CPGE (effetto fotogalvanico circolare) alla fotocorrente. Nella configurazione sperimentale, Sole et al. ha notato come l'HDPC (fotocorrente dipendente dall'elicità) scorresse attraverso due contatti d'oro sulla superficie del cristallo senza una polarizzazione applicata.
Assorbimento ottico e design metamateriale
Aumento multiplo di CPGE nell'isolante topologico BSTS da parte dei metamateriali. (A) (in alto) Schema di HDPC in un fiocco BSTS non strutturato; (in basso) fotocorrente sperimentale misurata su un fiocco BSTS non strutturato, a temperatura ambiente, e adattando con l'eq. 1, che mostra la dipendenza 4φ prevista e una piccola asimmetria 2φ tra illuminazione polarizzata circolarmente destra (σ+) e sinistra (σ−); (riquadro) coefficiente di adattamento C, L1, L2, e D, indicando una predominanza del contributo di bulk photon-drag, L2, nella modulazione della fotocorrente. (B) (in alto) Schema di HDPC leggero in un metamateriale BSTS nanostrutturato; (in basso) fotocorrente sperimentale misurata su un metamateriale BSTS nanostrutturato, a temperatura ambiente, e adattando con l'eq. 1, mostrando come il metamateriale induca una dipendenza 2φ che indica che il campione risponde quasi esclusivamente all'illuminazione polarizzata circolarmente destra (σ+) e sinistra (σ-); (riquadro) coefficiente di adattamento C, L1, L2, e D, indicando una predominanza di CPGE, C, nella modulazione della fotocorrente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe5748
Per comprendere il miglioramento della chiralità esclusivamente tramite correnti di spin superficiali topologiche, Sole et al. ha scelto un design metamateriale che non introducesse la chiralità ottica intrinsecamente o estrinsecamente. Il team ha selezionato una cella unitaria di metamateriale con modelli scolpiti mediante fresatura di fasci di ioni focalizzati tra due elettrodi d'oro depositati su una scaglia di BSTS, che hanno osservato utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). La geometria del metamateriale non ha indotto alcuna dipendenza dall'elicità, quale Sun et al. confermato utilizzando mappe di intensità del campo elettrico per luce polarizzata circolarmente di mano opposta. Il team ha quindi controllato gli effetti fotogalvanici circolari nell'isolante topologico utilizzando il metamateriale. Hanno misurato l'HDPC (fotocorrente dipendente dall'elicità) con un'illuminazione quasi uniforme senza un bias applicato. La configurazione ha prodotto correnti fototermoelettriche indipendenti dalla polarizzazione che hanno contribuito allo sfondo della fotocorrente. La componente della corrente era anche sensibile alla posizione del fascio di eccitazione sul campione.
Segnale fotocorrente
Per misurare segnali di fotocorrente chiari, Sole et al. successivamente ha regolato la posizione del raggio laser sul fiocco BSTS e sul metamateriale BSTS per ottenere la massima fotocorrente. Gli scienziati hanno notato come i contributi superficiali alle fotocorrenti fossero distinguibili anche a temperatura ambiente in campioni BSTS non strutturati, mentre i componenti sfusi hanno messo in ombra la loro dipendenza dall'elicità della luce, pur essendo troppo piccolo per qualsiasi dispositivo o applicazione pratica. Quando il team ha modellato il fiocco BSTS con una matrice di metamateriali ad anello quadrato, si è comportato in modo nettamente diverso. La struttura del metamateriale risonante ha indotto una maggiore asimmetria rispetto alle bande conduttrici di superficie per aumentare la corrente di spin netta. Il team ha definito il dicroismo circolare fotocorrente indotto da stati di superficie spin-polarizzati e ha confermato la natura superficiale dell'HDPC in BSTS. I risultati dello studio hanno mostrato come i metamateriali non hanno introdotto la chiralità ma hanno migliorato la chiralità estrinseca dello strato superficiale BSTS.
Distillazione di CPGE in scaglie di isolante topologico BSTS mediante metamateriali nanostrutturati. (A) Grafici polari normalizzati di HDPC per un fiocco BSTS non strutturato (colonna sinistra) e un metamateriale BSTS nanostrutturato (colonna destra) a tre diversi angoli di incidenza, θ =45° (riga superiore), θ =0° (riga centrale), e =−45° (riga in basso); a =0°, principalmente L2 contribuisce alla modulazione della fotocorrente; a θ =45° e θ =−45, i modelli HDPC del fiocco BSTS non strutturato e il metamateriale BSTS sono distintamente diversi:il metamateriale distilla il contributo del termine C alla modulazione della fotocorrente, rispetto al fiocco BSTS non strutturato, dove L1, L2, e C hanno ampiezze comparabili. (B) Simulato |E|2 sia in film BSTS non strutturato da 250 nm (colonna sinistra) che in metamateriale BSTS nanostrutturato (colonna destra) a tre diversi angoli di incidenza, θ =45° (riga superiore), θ =0° (riga centrale), e θ =−45° (riga in basso), con chiralità artificialmente aumentata della permittività ottica, r, del BSTS; il comportamento distinto osservato nel BSTS non strutturato e nel metamateriale BSTS si abbina notevolmente bene con la fotocorrente misurata, indicando come la chiralità dei portatori di superficie e l'aumento dell'assorbimento dato dal metamateriale determinino un gigantesco aumento del CPGE; il |E|2 è integrato in una lastra sottile di 3 nm sulla superficie del film. Per visualizzare meglio la dipendenza dalla polarizzazione (φ) sia dei dati sperimentali che del modello numerico, sottraiamo lo sfondo indipendente dalla polarizzazione da ciascuna curva e le normalizziamo. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abe5748 
Sole et al. ha poi discusso il comportamento della fotocorrente dei metamateriali di trasporto di spin tramite la modellazione elettromagnetica. La fotocorrente generata era direttamente proporzionale all'assorbimento ottico, densità portante, mobilità e durata dell'isolante topologico. Sulla base del presupposto che l'assorbimento ottico del metamateriale BSTS sia aumentato con la nanostrutturazione mentre i parametri di trasporto sono rimasti inalterati, Sole et al. mappato il modello ottico anisotropo del vettore del cristallo isolante topologico BSTS. Gli scienziati hanno eseguito simulazioni elettromagnetiche a onda intera per BSTS non strutturati e nanostrutturati, replicando le condizioni di illuminazione del campione utilizzate negli esperimenti, per comprendere l'assorbimento ottico alla superficie dell'isolante topologico. La modellazione elettromagnetica concordava bene con i risultati sperimentali dell'HDPC.
Veduta
In questo modo, X. Sun e colleghi hanno fornito un metodo per utilizzare i metamateriali per controllare il trasporto superficiale negli isolanti topologici tramite la progettazione strutturale. Questo metodo fornisce una potente cassetta degli attrezzi per colmare il divario tra la nanofotonica e l'elettronica di spin. Il team ha mostrato come le nanostrutture risonanti abbiano indotto un gigantesco miglioramento della risposta fotocorrente chirale estrinseca di un isolante topologico. I risultati possono essere esplorati per esercitare il controllo sulle proprietà di trasporto di spin di altre classi di materiali quantistici e topologici.
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