孙栋课题组与合作者在拓扑半金属中实现了中红外光轨道角动量的直接光电探测
近期，北京大学物理学院量子材料科学中心的孙栋长聘副教授与合作者首次实验实现了中红外波段的光轨道角动量的直接光电探测，并验证了拓扑半金属材料在实现多光参量集成探测系统方面的巨大应用潜力。2022年5月23日，相关研究成果以“基于第二类外尔半金属TaIrTe4的中红外光轨道角动量直接检测”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）为题在线发表于《先进材料》（Advanced Materials），并被选为封里文章（inside front cover）。
光的偏振状态与自旋角动量有关，除了自旋角动量，光还可以携带轨道角动量（OAM）, 这将导致光场具有空间分布的相位，表现为光束具有螺旋形的波前，使得光束中心存在一个相位奇点，因此中心光强度为零，光强度分布为环形。自诞生以来，OAM的应用在各个领域取得了许多突破。然而，在OAM的探测方面，通常采用干涉和衍射特性来实现，这需要间接计数干涉或衍射图中的条纹和点阵，或者通过进行间接相变来实现。OAM的直接电子读出是基础研究和实际应用中都非常需要的，它也是实现片上集成和对OAM敏感的焦平面成像阵列这样的系统级集成的前提和基础。
基于拓扑半金属的光检测的最新发展为解决上述问题提供了可能性。外尔半金属是一种拓扑半金属材料，具有破缺的时间反演对称性或空间反演对称性，它们在能量-动量空间中形成锥状结构。研究发现，基于拓扑半金属材料的光电探测器具有宽光谱响应、偏振分辨和OAM分辨等特性。这些光电流响应可以通过外尔半金属的外尔点附近的巨大贝里曲率来实现增强，当掺杂水平与跃迁波长匹配时，外尔半金属的这种拓扑增强响应提供了一种在中红外下电荷分离的有效方法。
近期，北京大学物理学院量子材料科学中心的孙栋长聘副教授与中国科学院光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员，西安交通大学物理学院张沛教授，南京大学电子科学与工程学院施毅教授等合作，验证了基于第二类外尔半金属TaIrTe4的OAM光电探测器的响应性能，TaIrTe4器件具有几何形状经过特别设计的电极，确实可以通过轨道角动量光电效应（OPGE）在4 μm（一种典型的中红外波长）实现对OAM的直接检测。实验结果表明，OPGE驱动的光电流的方向和大小与入射光束的OAM量子数成正比。实验观察到的OPGE响应来自光场的相位梯度，而不是其他光电流产生机制。该工作还进行了光束尺寸和光斑位置依赖性的测量，以确认当光束的光斑大小和位置与电极结构相匹配时，几何形状经过特别设计的电极能有效地收集OPGE电流。结合TaIrTe4所具有的线偏振和圆偏振灵敏度，以及常规的光强度响应能力，精心设计成光电探测器阵列，这种器件可能能够在中红外波段实现多光学参量表征。
图a：携带OAM的中红外光束产生的OPGE光电流测量示意图；图b：具有U形电极的TaIrTe4器件光学显微照片；图c-d：TaIrTe4器件在涡旋光激发下生成的OPGE光电流及其对OAM顺序的依赖性的证据。图c显示了归一化光电流随OAM的变化。右图显示了被测光电流的三个不同周期成分对激发光OAM阶数的依赖。
2022年5月23日，相关研究成果以“基于第二类外尔半金属TaIrTe4的中红外光轨道角动量直接检测”（Direct Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）为题在线发表于《《先进材料》（Advanced Materials）。赖佳伟为第一作者，孙栋为通信作者。
上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金及中国博士后创新人才支持计划等支持。