近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員王林、陳效雙和陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)與意大利拉奎拉大學(xué)教授Antonio Politano團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)教授萬(wàn)賢綱團(tuán)隊(duì)合作，提出了C3V反演結(jié)構(gòu)特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲探測(cè)結(jié)構(gòu)，揭示由本征對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的室溫太赫茲頻率電磁轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能，相關(guān)結(jié)果以Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection為題發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

隨著信息時(shí)代的快速發(fā)展，利用低能光子頻帶（0.1~10THz，terahertz gap）范圍工作的微型器件成為新一代無(wú)線通訊、智慧城市及安全體系建設(shè)的重要信息載體。傳統(tǒng)光電器件依賴于窄帶隙半導(dǎo)體或能帶工程（金屬、半導(dǎo)體、絕緣體）的發(fā)展，在低能光子頻帶存在性能指數(shù)下降的趨勢(shì)，需要深低溫來(lái)抑制噪聲以獲得足夠的靈敏度，面臨著本征極限問(wèn)題。因此，人們嘗試從微觀原子尺度操控來(lái)構(gòu)造特定的輸運(yùn)或光電子特性，以期改變傳統(tǒng)依賴于單粒子激發(fā)的能帶探測(cè)模式帶來(lái)的瓶頸。

研究人員將具有原子薄層結(jié)構(gòu)的拓?fù)浒虢饘貾dTe2有效集成到天線耦合結(jié)構(gòu)中，PdTe2具有原子堆疊的拓?fù)鋵?duì)稱性，加上其強(qiáng)自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐，使得該材料具有各項(xiàng)異性半閉合的費(fèi)米面以及大的THz吸收系數(shù)（圖1b）。研究發(fā)現(xiàn)Cr-PdTe2界面電荷轉(zhuǎn)移形成界面態(tài)，通過(guò)金屬log天線（圖1d，1e）耦合的共同作用（synergistic effect）對(duì)PdTe2表面電子產(chǎn)生周期性的驅(qū)動(dòng)震蕩（圖1f）。由于空間反演的破壞（圖1c），震蕩的電子在晶格C3v旋轉(zhuǎn)勢(shì)的作用下產(chǎn)生不可抵消的橫向電流(圖1f)和高頻電磁整流效應(yīng)，可以在寬的電磁頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)與成像。

研究人員還通過(guò)環(huán)形電極耦合的偏振探測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了表面光電流極性分布滿足C3v非平衡散射及晶格對(duì)稱性關(guān)聯(lián)（圖2a），實(shí)驗(yàn)獲得了2pW/Hz0.5的探測(cè)靈敏度與快速響應(yīng)，表明半金屬材料的奇異行為可能在長(zhǎng)波光子探測(cè)中帶來(lái)新變革。

該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科委計(jì)劃項(xiàng)目以及上海技物所啟明星研究員計(jì)劃的支持。

圖1.a：Type-II狄拉克拓?fù)浒虢饘夙诨Z(PdTe2)的晶體結(jié)構(gòu)；b：費(fèi)米面的電子-空穴費(fèi)米包結(jié)構(gòu)；c：內(nèi)建電場(chǎng)誘導(dǎo)的對(duì)稱性破壞；d、e：Log天線集成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性局部電子震蕩；f：形成橫向凈電流。

圖2. a：基于環(huán)形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C3v旋轉(zhuǎn)規(guī)律；b：器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。