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Adv. Mate.北大孫棟團(tuán)隊在拓?fù)浒虢饘僦袑崿F(xiàn)了中紅外光軌道角動量的直接光電探測
來源：北京大學(xué)物理學(xué)院 2022-07-27
導(dǎo)讀：近期，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的孫棟長聘副教授與合作者首次實驗實現(xiàn)了中紅外波段的光軌道角動量的直接光電探測，并驗證了拓?fù)浒虢饘俨牧显趯崿F(xiàn)多光參量集成探測系統(tǒng)方面的巨大應(yīng)用潛力。2022年5月23日，相關(guān)研究成果以“基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的中紅外光軌道角動量直接檢測”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）為題在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials），并被選為封里文章（inside front cover）。?
光的偏振狀態(tài)與自旋角動量有關(guān)，除了自旋角動量，光還可以攜帶軌道角動量（OAM）, 這將導(dǎo)致光場具有空間分布的相位，表現(xiàn)為光束具有螺旋形的波前，使得光束中心存在一個相位奇點，因此中心光強(qiáng)度為零，光強(qiáng)度分布為環(huán)形。自誕生以來，OAM的應(yīng)用在各個領(lǐng)域取得了許多突破。然而，在OAM的探測方面，通常采用干涉和衍射特性來實現(xiàn)，這需要間接計數(shù)干涉或衍射圖中的條紋和點陣，或者通過進(jìn)行間接相變來實現(xiàn)。OAM的直接電子讀出是基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用中都非常需要的，它也是實現(xiàn)片上集成和對OAM敏感的焦平面成像陣列這樣的系統(tǒng)級集成的前提和基礎(chǔ)。基于拓?fù)浒虢饘俚墓鈾z測的最新發(fā)展為解決上述問題提供了可能性。外爾半金屬是一種拓?fù)浒虢饘俨牧?，具有破缺的時間反演對稱性或空間反演對稱性，它們在能量-動量空間中形成錐狀結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，基于拓?fù)浒虢饘俨牧系墓怆娞綔y器具有寬光譜響應(yīng)、偏振分辨和OAM分辨等特性。這些光電流響應(yīng)可以通過外爾半金屬的外爾點附近的巨大貝里曲率來實現(xiàn)增強(qiáng)，當(dāng)摻雜水平與躍遷波長匹配時，外爾半金屬的這種拓?fù)湓鰪?qiáng)響應(yīng)提供了一種在中紅外下電荷分離的有效方法。近期，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的孫棟長聘副教授與中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所程晉羅研究員，西安交通大學(xué)物理學(xué)院張沛教授，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院施毅教授等合作，驗證了基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的OAM光電探測器的響應(yīng)性能，TaIrTe4器件具有幾何形狀經(jīng)過特別設(shè)計的電極，確實可以通過軌道角動量光電效應(yīng)（OPGE）在4 μm（一種典型的中紅外波長）實現(xiàn)對OAM的直接檢測。實驗結(jié)果表明，OPGE驅(qū)動的光電流的方向和大小與入射光束的OAM量子數(shù)成正比。實驗觀察到的OPGE響應(yīng)來自光場的相位梯度，而不是其他光電流產(chǎn)生機(jī)制。該工作還進(jìn)行了光束尺寸和光斑位置依賴性的測量，以確認(rèn)當(dāng)光束的光斑大小和位置與電極結(jié)構(gòu)相匹配時，幾何形狀經(jīng)過特別設(shè)計的電極能有效地收集OPGE電流。結(jié)合TaIrTe4所具有的線偏振和圓偏振靈敏度，以及常規(guī)的光強(qiáng)度響應(yīng)能力，精心設(shè)計成光電探測器陣列，這種器件可能能夠在中紅外波段實現(xiàn)多光學(xué)參量表征。圖a：攜帶OAM的中紅外光束產(chǎn)生的OPGE光電流測量示意圖；圖b：具有U形電極的TaIrTe4器件光學(xué)顯微照片；圖c-d：TaIrTe4器件在渦旋光激發(fā)下生成的OPGE光電流及其對OAM順序的依賴性的證據(jù)。圖c顯示了歸一化光電流隨OAM的變化。右圖顯示了被測光電流的三個不同周期成分對激發(fā)光OAM階數(shù)的依賴。2022年5月23日，相關(guān)研究成果以“基于第二類外爾半金屬TaIrTe4的中紅外光軌道角動量直接檢測”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）為題在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials），并被選為封里文章（inside front cover）。賴佳偉為第一作者，孫棟為通信作者。上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金及中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃等支持。
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