Fotocorriente dependiente de la helicidad (HDPC) en aislantes topológicos y metamateriales aislantes topológicos. (A) En un aislante topológico no estructurado (TI), Los electrones de Dirac con espín acoplado a una polarización circular dada de la luz incidente (azul) son promovidos a bandas más altas en el espacio k; el exceso de electrones en estado de superficie bloqueados por espín-momento con espín opuesto (rojo) da lugar a un HDPC, ja (efecto fotogalvánico circular). (B) En un metamaterial de TI, un mayor número de electrones de espín polarizados se fotoexcitan tras la absorción de luz resonante, mejorando el HDPC. (C) Esquema de la configuración experimental de HDPC, ilustrando la orientación mutua de los electrodos en el dispositivo TI con relación al haz de excitación láser en el ángulo de incidencia θ y la polarización definida por el ángulo de rotación φ de la placa de cuarto de onda. (D) Imagen SEM del metamaterial de anillo cuadrado tallado entre los electrodos de Au en la superficie de una escama de TI. Barras de escala, 1 μm a la izquierda y 100 nm a la derecha. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe5748
Los aislantes topológicos tienen manifestaciones notables de propiedades electrónicas. Las fotocorrientes dependientes de la helicidad en tales dispositivos están respaldadas por el bloqueo del impulso de giro de los electrones de Dirac de superficie que son débiles y fácilmente eclipsados por contribuciones de volumen. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , X. Sun y un equipo de investigación en tecnologías fotónicas, La física y los metamateriales fotónicos en Singapur y el Reino Unido mostraron cómo la respuesta quiral de los materiales podría mejorarse mediante la nanoestructuración. El estrecho confinamiento de los campos electromagnéticos en las nanoestructuras resonantes mejoró la fotoexcitación de los estados de superficie de espín polarizado de un aislante topológico para permitir un aumento de 11 veces del efecto fotogalvánico circular y un dicroísmo de fotocorriente previamente no observado a temperatura ambiente. Usando este método, Sun y col. controló el transporte de espín en materiales topológicos a través del diseño estructural, una capacidad hasta ahora no reconocida de los metamateriales. El trabajo cierra la brecha entre la nanofotónica y la electrónica de espín para brindar oportunidades para desarrollar fotodetectores sensibles a la polarización.
Quiralidad
La quiralidad es un fenómeno natural ubicuo y fascinante en la naturaleza, describir la diferencia entre un objeto y su imagen especular. El proceso se manifiesta en una variedad de escalas y formas, desde galaxias hasta nanotubos y desde moléculas orgánicas hasta compuestos inorgánicos. La quiralidad se puede detectar a nivel atómico y molecular en las ciencias fundamentales, incluida la química, biología y cristalografía, así como en la práctica, como en la industria alimentaria y farmacéutica. Para detectar quiralidad, los científicos pueden utilizar interacciones con campos electromagnéticos, aunque el proceso puede verse obstaculizado por un gran desajuste entre la longitud de onda de la luz y el tamaño de la mayoría de las moléculas a nanoescala. Los metamateriales de diseño con características estructurales comparables a la longitud de onda de la luz pueden proporcionar un enfoque independiente para diseñar propiedades ópticas bajo demanda para mejorar la interacción luz-materia para crear y mejorar la quiralidad óptica de los metamateriales. En este trabajo, Sun y col. mostró aplicaciones de nanoestructuración artificial para mejorar la respuesta fotogalvánica quiral de los campos electromagnéticos. Los metamateriales resonantes no quirales mejoraron eficazmente la fotoexcitación de estados de espín polarizado. El trabajo mostró una mejora gigante de la respuesta fotocorriente quiral extrínseca de un aislante topológico 3D (TI); que contiene bismuto, antimonio, telurio y selenio en las siguientes proporciones:Bi 1,5 Sb 0,5 Te 1.8 Se 1.2 , abreviado como BSTS.
Mejora de la absorción óptica en metamaterial aquiral BSTS. (A) Absorción óptica medida (líneas discontinuas) y simulada (líneas continuas) de una escama BSTS no estructurada y un metamaterial BSTS nanoestructurado (los datos experimentales se recopilaron con luz no polarizada a incidencia normal y apertura numérica =0,7, mientras que las simulaciones corresponden a luz incidente circularmente polarizada en θ =0 ° y θ =45 °); a λ =532 nm, la absorción del metamaterial BSTS es ~ 0,7, el doble que el de las escamas BSTS no estructuradas (~ 0,35). (B y C) Mapas de la intensidad del campo eléctrico, | E | 2, a 10 nm por debajo de la superficie superior de la celda unitaria de metamaterial con incidencia normal, para polarización circular izquierda (LCP) y derecha (RCP), respectivamente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe5748 
Sun y col. portadores de superficie excitados selectivamente en aisladores topológicos dirigiendo luz polarizada circularmente en incidencia oblicua sobre la superficie del cristal. Determinaron el flujo de corriente resultante bloqueando el impulso de giro en los portadores. El cristal aislante topológico era intrínsecamente aquiral, por lo tanto, la fotoexcitación a una incidencia normal no generó ninguna fotocorriente dependiente de helicidad (HDPC). Sin embargo, cuando realizaron fotoexcitación selectiva de espín de portadores en estado de superficie utilizando luz incidente oblicua con una helicidad dada, indujeron quiralidad como se describe para metamateriales, a través del efecto fotogalvánico circular (CPGE). La presencia de una nanoestructura diseñada en la superficie de los aislantes topológicos indicó una absorción resonante en la longitud de onda de excitación para aumentar efectivamente el número de portadores de inducción de superficie. promovido a las bandas de conducción a granel. Este proceso aumentó significativamente la contribución de CPGE (efecto fotogalvánico circular) a la fotocorriente. En la configuración experimental, Sun y col. notó cómo la HDPC (fotocorriente dependiente de la helicidad) fluía a través de dos contactos de oro en la superficie del cristal sin un sesgo aplicado.
Absorción óptica y diseño de metamateriales
Aumento múltiple de CPGE en aislante topológico BSTS por metamateriales. (A) (arriba) Esquema de HDPC en un copo de BSTS no estructurado; (abajo) fotocorriente experimental medida en una escama BSTS no estructurada, a temperatura ambiente, y ajustando con Eq. 1, mostrando la dependencia esperada 4φ y una pequeña asimetría 2φ entre la iluminación polarizada circularmente derecha (σ +) e izquierda (σ−); (recuadro) coeficiente de ajuste C, L1, L2, y D, lo que indica un predominio de la contribución de arrastre de fotones a granel, L2, en la modulación de fotocorriente. (B) (arriba) Esquema de HDPC ligero en un metamaterial BSTS nanoestructurado; (abajo) fotocorriente experimental medida en un metamaterial BSTS nanoestructurado, a temperatura ambiente, y ajustando con Eq. 1, mostrando cómo el metamaterial induce una dependencia 2φ que indica que la muestra responde casi exclusivamente a la iluminación polarizada circularmente a derecha (σ +) e izquierda (σ−); (recuadro) coeficiente de ajuste C, L1, L2, y D, lo que indica un predominio de CPGE, C, en la modulación de fotocorriente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe5748
Para comprender la mejora de la quiralidad exclusivamente a través de corrientes de espín de superficie topológicas, Sun y col. eligió un diseño de metamaterial que no introdujera quiralidad óptica intrínseca o extrínsecamente. El equipo seleccionó una celda unitaria de metamaterial con patrones tallados por fresado con haz de iones enfocado entre dos electrodos de oro depositados en una escama de BSTS, que observaron utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM). La geometría del metamaterial no indujo ninguna dependencia de helicidad, que Sun et al. confirmado utilizando mapas de intensidad de campo eléctrico para luz polarizada circularmente de mano opuesta. A continuación, el equipo controló los efectos fotogalvánicos circulares en el aislante topológico utilizando el metamaterial. Midieron la HDPC (fotocorriente dependiente de la helicidad) bajo una iluminación casi uniforme sin un sesgo aplicado. La configuración dio como resultado corrientes fototermoeléctricas independientes de la polarización que contribuyeron al fondo de fotocorriente. El componente de la corriente también fue sensible a la posición del haz de excitación en la muestra.
Señal de fotocorriente
Para medir señales de fotocorriente claras, Sun y col. A continuación, ajustó la posición del rayo láser en la escama BSTS y el metamaterial BSTS para obtener la máxima fotocorriente. Los científicos notaron cómo las contribuciones de la superficie a las fotocorrientes eran discernibles incluso a temperatura ambiente en muestras de BSTS no estructuradas. mientras que los componentes a granel eclipsaron su dependencia de la helicidad ligera, siendo demasiado pequeño para cualquier dispositivo o aplicación práctica. Cuando el equipo modeló la escama BSTS con una matriz de metamaterial de anillo cuadrado, se comportó de manera marcadamente diferente. La estructura resonante del metamaterial indujo una mayor asimetría en relación con las bandas conductoras de la superficie para aumentar la corriente de espín neta. El equipo definió el dicroísmo circular de fotocorriente inducido por estados de superficie de espín polarizado y confirmó la naturaleza superficial de HDPC en BSTS. Los resultados del estudio mostraron cómo los metamateriales no introdujeron quiralidad sino que mejoraron la quiralidad extrínseca de la capa superficial BSTS.
Destilación de CPGE en escamas de aislante topológico BSTS por metamateriales nanoestructurados. (A) Gráficos polares normalizados de HDPC para un copo de BSTS no estructurado (columna izquierda) y un metamaterial BSTS nanoestructurado (columna derecha) en tres ángulos de incidencia diferentes, θ =45 ° (fila superior), θ =0 ° (fila central), y θ =−45 ° (fila inferior); en θ =0 °, principalmente L2 contribuye a la modulación de la fotocorriente; en θ =45 ° y θ =−45, los patrones de HDPC de la escama BSTS no estructurada y el metamaterial BSTS son distintivamente diferentes:el metamaterial destila la contribución del término C a la modulación de la fotocorriente, con respecto a las escamas BSTS no estructuradas, donde L1, L2, y C tienen amplitudes comparables. (B) Simulado | E | 2 tanto en película BSTS no estructurada de 250 nm (columna izquierda) como en metamaterial BSTS nanoestructurado (columna derecha) en tres ángulos de incidencia diferentes, θ =45 ° (fila superior), θ =0 ° (fila central), y θ =−45 ° (fila inferior), con quiralidad aumentada artificialmente de la permitividad óptica, εr, del BSTS; el comportamiento distinto observado en el BSTS no estructurado y el metamaterial del BSTS coincide notablemente bien con la fotocorriente medida, indicando cómo la quiralidad de los portadores de superficie y el aumento de la absorción dada por el metamaterial dan como resultado un aumento gigante del CPGE; el | E | 2 está integrado en una losa de 3 nm de espesor en la superficie de la película. Para visualizar mejor la dependencia de la polarización (φ) tanto de los datos experimentales como del modelo numérico, restamos el fondo independiente de polarización de cada curva y los normalizamos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abe5748 
Sun y col. luego discutió el comportamiento de la fotocorriente de los metamateriales de transporte de espín a través de modelos electromagnéticos. La fotocorriente generada fue directamente proporcional a la absorción óptica, densidad de portadores, movilidad y vida útil del aislante topológico. Basado en el supuesto de que la absorción óptica del metamaterial BSTS aumentó con la nanoestructuración mientras que los parámetros de transporte permanecieron inalterados, Sun y col. mapeó el modelo óptico anisotrópico portador del cristal aislante topológico BSTS. Los científicos realizaron simulaciones electromagnéticas de onda completa para BSTS no estructurados y nanoestructurados, replicando las condiciones de iluminación de la muestra utilizadas en los experimentos, comprender la absorción óptica en la superficie del aislante topológico. El modelado electromagnético concuerda bien con los resultados experimentales de HDPC.
panorama
De este modo, X. Sun y sus colegas proporcionaron un método para utilizar metamateriales para controlar el transporte de superficie en aisladores topológicos a través del diseño estructural. Este método proporciona una potente caja de herramientas para cerrar la brecha entre la nanofotónica y la electrónica de espín. El equipo mostró cómo las nanoestructuras resonantes inducían una mejora gigante de la respuesta de fotocorriente quiral extrínseca de un aislante topológico. Los resultados se pueden explorar para ejercer control sobre las propiedades de transporte de espín de otras clases de materiales cuánticos y topológicos.
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