Photocourant hélicoïdal (HDPC) dans les isolants topologiques et les métamatériaux d'isolants topologiques. (A) Dans un isolant topologique non structuré (TI), Les électrons de Dirac avec spin couplés à une polarisation circulaire donnée de la lumière incidente (bleu) sont promus vers les bandes supérieures dans l'espace k; l'excès d'électrons à l'état de surface verrouillés en spin-impulsion de spin opposé (rouge) donne naissance à un HDPC, ja (effet photogalvanique circulaire). (B) Dans un métamatériau TI, un plus grand nombre d'électrons polarisés en spin sont photoexcités lors de l'absorption de lumière résonante, l'amélioration du HDPC. (C) Schéma du montage expérimental HDPC, illustrant l'orientation mutuelle des électrodes du dispositif TI par rapport au faisceau d'excitation laser à l'angle d'incidence et à la polarisation définie par l'angle de rotation de la lame quart d'onde. (D) Image SEM du métamatériau en anneau carré sculpté entre les électrodes Au sur la surface d'un flocon TI. Barres d'échelle, 1 µm à gauche et 100 nm à droite. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe5748
Les isolants topologiques ont des manifestations notables de propriétés électroniques. Les photocourants dépendants de l'hélicité dans de tels dispositifs sont sous-tendus par le verrouillage de la quantité de mouvement de spin des électrons de Dirac de surface qui sont faibles et facilement éclipsés par des contributions massives. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , X. Sun et une équipe de recherche en technologies photoniques, la physique et les métamatériaux photoniques à Singapour et au Royaume-Uni ont montré comment la réponse chirale des matériaux pouvait être améliorée via la nanostructuration. Le confinement serré des champs électromagnétiques dans les nanostructures résonnantes a amélioré la photoexcitation des états de surface polarisés en spin d'un isolant topologique pour permettre une augmentation de 11 fois de l'effet photogalvanique circulaire et un dichroïsme photocourant non observé auparavant à température ambiante. En utilisant cette méthode, Soleil et al. contrôler le transport de spin dans les matériaux topologiques via la conception structurelle, une capacité jusqu'ici méconnue des métamatériaux. Le travail comble le fossé entre la nanophotonique et l'électronique de spin pour offrir des opportunités de développer des photodétecteurs sensibles à la polarisation.
Chiralité
La chiralité est un phénomène naturel omniprésent et fascinant dans la nature, décrivant la différence entre un objet et son image miroir. Le processus se manifeste à diverses échelles et formes, des galaxies aux nanotubes et des molécules organiques aux composés inorganiques. La chiralité peut être détectée au niveau atomique et moléculaire en sciences fondamentales, y compris la chimie, biologie et cristallographie, ainsi que dans la pratique, comme dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique. Pour détecter la chiralité, les scientifiques peuvent utiliser les interactions avec les champs électromagnétiques, bien que le processus puisse être entravé par un grand décalage entre la longueur d'onde de la lumière et la taille de la plupart des molécules à des dimensions nanométriques. Les métamatériaux de concepteur avec des caractéristiques structurelles comparables à la longueur d'onde de la lumière peuvent fournir une approche indépendante pour concevoir des propriétés optiques à la demande afin d'améliorer l'interaction lumière-matière afin de créer et d'améliorer la chiralité optique des métamatériaux. Dans ce travail, Soleil et al. ont montré des applications de la nanostructuration artificielle pour améliorer la réponse photogalvanique chirale des champs électromagnétiques. Les métamatériaux non chiraux résonnants ont efficacement amélioré la photoexcitation des états polarisés en spin. Le travail a montré une amélioration géante de la réponse photocourante chirale extrinsèque d'un isolant topologique 3D (TI) ; contenant du bismuth, antimoine, tellure et sélénium dans les proportions suivantes :Bi
Amélioration de l'absorption optique dans le métamatériau achiral BSTS. (A) Absorption optique mesurée (lignes pointillées) et simulée (lignes continues) d'un flocon BSTS non structuré et d'un métamatériau BSTS nanostructuré (les données expérimentales ont été recueillies avec une lumière non polarisée à incidence normale et ouverture numérique =0,7, tandis que les simulations correspondent à une lumière polarisée circulairement incidente à =0° et =45°); à =532 nm, l'absorption du métamatériau BSTS est d'environ 0,7, deux fois celle du flocon BSTS non structuré (~0,35). (B et C) Cartes de l'intensité du champ électrique, |E|2, à 10 nm sous la surface supérieure de la maille élémentaire du métamatériau à incidence normale, pour la polarisation circulaire gauche (LCP) et droite (RCP), respectivement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe5748 
Soleil et al. des porteurs de surface sélectivement excités dans des isolants topologiques en dirigeant une lumière polarisée circulairement à incidence oblique sur la surface du cristal. Ils ont déterminé le flux de courant résultant par verrouillage de l'impulsion de spin au niveau des supports. Le cristal isolant topologique était intrinsèquement achiral, par conséquent, la photoexcitation à incidence normale n'a pas généré de photocourant hélicoïdal (HDPC). Cependant, lorsqu'ils ont effectué une photoexcitation sélective de spin de porteurs d'états de surface en utilisant une lumière incidente oblique avec une hélicité donnée, ils ont induit la chiralité comme décrit pour les métamatériaux, via l'effet photogalvanique circulaire (CPGE). La présence d'une nanostructure conçue à la surface des isolants topologiques a indiqué une absorption résonante à la longueur d'onde d'excitation pour augmenter efficacement le nombre de porteurs d'induction de surface, promu aux bandes de conduction en vrac. Ce procédé a significativement augmenté la contribution de la CPGE (effet photogalvanique circulaire) au photocourant. Dans le montage expérimental, Soleil et al. ont noté comment le HDPC (photocourant hélicoïdal) circulait à travers deux contacts en or sur la surface du cristal sans polarisation appliquée.
Absorption optique et conception de métamatériaux
Augmentation multiple de CPGE dans l'isolant topologique BSTS par les métamatériaux. (A) (en haut) Schéma de HDPC dans un flocon BSTS non structuré ; (en bas) photocourant expérimental mesuré sur un éclat BSTS non structuré, à température ambiante, et montage avec Eq. 1, montrant la dépendance attendue de 4φ et une petite asymétrie de 2φ entre un éclairage polarisé circulairement à droite (σ+) et à gauche (σ-); (en médaillon) coefficient d'ajustement C, L1, L2, et D, indiquant une prédominance de la contribution de la traînée photonique en masse, L2, dans la modulation du photocourant. (B) (en haut) Schéma du HDPC léger dans un métamatériau BSTS nanostructuré ; (en bas) photocourant expérimental mesuré sur un métamatériau BSTS nanostructuré, à température ambiante, et montage avec Eq. 1, montrant comment le métamatériau induit une dépendance 2φ qui indique que l'échantillon répond presque exclusivement à un éclairage polarisé circulairement à droite (σ+) et à gauche (σ-); (en médaillon) coefficient d'ajustement C, L1, L2, et D, indiquant une prédominance de la CPGE, C, dans la modulation du photocourant. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe5748
Pour comprendre l'amélioration de la chiralité exclusivement via les courants de spin de surface topologiques, Soleil et al. a choisi une conception de métamatériau qui n'introduit pas de chiralité optique intrinsèquement ou extrinsèquement. L'équipe a sélectionné une cellule unitaire de métamatériau avec des motifs sculptés par broyage par faisceau d'ions focalisés entre deux électrodes d'or déposées sur un flocon de BSTS, qu'ils ont observé en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB). La géométrie du métamatériau n'induit aucune dépendance à l'hélicité, dont Sun et al. confirmé à l'aide de cartes d'intensité de champ électrique pour une lumière polarisée circulairement de sens opposé. L'équipe a ensuite contrôlé les effets photogalvaniques circulaires dans l'isolant topologique à l'aide du métamatériau. Ils ont mesuré le HDPC (photocourant hélicoïdal) sous un éclairage presque uniforme sans biais appliqué. L'installation a entraîné des courants photothermoélectriques indépendants de la polarisation qui ont contribué au fond de photocourant. La composante du courant était également sensible à la position du faisceau d'excitation sur l'échantillon.
Signal photocourant
Pour mesurer des signaux photocourants clairs, Soleil et al. ensuite ajusté la position du faisceau laser sur le flocon BSTS et le métamatériau BSTS pour obtenir le photocourant maximal. Les scientifiques ont noté comment les contributions de surface aux photocourants étaient discernables même à température ambiante dans des échantillons BSTS non structurés, tandis que les composants en vrac ont éclipsé leur dépendance à l'hélicité légère, tout en étant trop petit pour tout appareil ou application pratique. Lorsque l'équipe a modelé le flocon BSTS avec un réseau de métamatériaux à anneau carré, il s'est comporté sensiblement différemment. La structure du métamatériau résonnant induit une plus grande asymétrie par rapport aux bandes conductrices de surface pour augmenter le courant de spin net. L'équipe a défini le dichroïsme circulaire du photocourant induit par les états de surface polarisés en spin et a confirmé la nature de surface du HDPC dans le BSTS. Les résultats de l'étude ont montré comment les métamatériaux n'ont pas introduit de chiralité mais ont amélioré la chiralité extrinsèque de la couche de surface BSTS.
Distillation de CPGE en paillettes d'isolant topologique BSTS par des métamatériaux nanostructurés. (A) Tracés polaires normalisés de HDPC pour un flocon BSTS non structuré (colonne de gauche) et un métamatériau BSTS nanostructuré (colonne de droite) à trois angles d'incidence différents, θ =45° (rangée du haut), θ =0° (rangée centrale), et =−45° (rangée du bas) ; à =0°, la plupart du temps L2 contribue à la modulation du photocourant; à =45° et =−45, les motifs HDPC du flocon BSTS non structuré et du métamatériau BSTS sont distinctement différents :le métamatériau distille la contribution du terme C à la modulation du photocourant, en ce qui concerne le flocon BSTS non structuré, où L1, L2, et C ont des amplitudes comparables. (B) |E|2 simulé dans un film BSTS 250 nm non structuré (colonne de gauche) et un métamatériau BSTS nanostructuré (colonne de droite) à trois angles d'incidence différents, θ =45° (rangée du haut), θ =0° (rangée centrale), et =−45° (rangée du bas), avec une chiralité artificiellement augmentée de la permittivité optique, ou, du BSTS; le comportement distinct observé dans le BSTS non structuré et le métamatériau BSTS correspond remarquablement bien au photocourant mesuré, indiquant comment la chiralité des porteurs de surface et l'absorption accrue donnée par le métamatériau entraînent une augmentation géante de la CPGE ; le |E|2 est intégré dans une plaque mince de 3 nm à la surface du film. Pour mieux visualiser la dépendance à la polarisation (φ) des données expérimentales et du modèle numérique, nous soustrayons le fond indépendant de la polarisation de chaque courbe et les normalisons. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe5748 
Soleil et al. puis discuté du comportement du photocourant des métamatériaux à transport de spin via la modélisation électromagnétique. Le photocourant généré était directement proportionnel à l'absorption optique, densité de porteurs, mobilité et durée de vie de l'isolant topologique. Sur la base de l'hypothèse que l'absorption optique du métamatériau BSTS a augmenté lors de la nanostructuration tandis que les paramètres de transport sont restés inchangés, Soleil et al. a cartographié le modèle optique anisotrope porteur du cristal isolant topologique BSTS. Les scientifiques ont effectué des simulations électromagnétiques pleine onde pour les BSTS non structurés et nanostructurés, en reproduisant les conditions d'éclairage de l'échantillon utilisées dans les expériences, comprendre l'absorption optique à la surface de l'isolant topologique. La modélisation électromagnétique concorde bien avec les résultats expérimentaux HDPC.
Perspectives
De cette façon, X. Sun et ses collègues ont fourni une méthode pour utiliser des métamatériaux pour contrôler le transport de surface dans des isolants topologiques via une conception structurelle. Cette méthode fournit une puissante boîte à outils pour combler le fossé entre la nanophotonique et l'électronique de spin. L'équipe a montré comment les nanostructures résonantes induisaient une amélioration géante de la réponse photocourante chirale extrinsèque d'un isolant topologique. Les résultats peuvent être explorés pour exercer un contrôle sur les propriétés de transport de spin d'autres classes de matériaux quantiques et topologiques.
© 2021 Réseau Science X
