Isoladores topológicos têm manifestações notáveis ​​de propriedades eletrônicas. As fotocorrentes dependentes da helicidade em tais dispositivos são sustentadas pelo bloqueio do momento de rotação dos elétrons de Dirac de superfície que são fracos e facilmente ofuscados por contribuições em massa. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , X. Sun e uma equipe de pesquisa em tecnologias fotônicas, a física e os metamateriais fotônicos em Cingapura e no Reino Unido mostraram como a resposta quiral dos materiais pode ser aprimorada por meio da nanoestruturação. O confinamento rígido de campos eletromagnéticos nas nanoestruturas ressonantes aumentou a fotoexcitação de estados de superfície polarizados por spin de um isolador topológico para permitir um aumento de 11 vezes do efeito fotogalvânico circular e um dicroísmo fotocorrente não observado anteriormente à temperatura ambiente. Usando este método, Sun et al. controlou o transporte de spin em materiais topológicos por meio de projeto estrutural, uma capacidade até então não reconhecida de metamateriais. O trabalho preenche a lacuna entre a nanofotônica e a eletrônica de spin para fornecer oportunidades para desenvolver fotodetectores sensíveis à polarização.

Quiralidade

A quiralidade é um fenômeno natural onipresente e fascinante na natureza, descrevendo a diferença de um objeto de sua imagem no espelho. O processo se manifesta em uma variedade de escalas e formas, de galáxias a nanotubos e de moléculas orgânicas a compostos inorgânicos. A quiralidade pode ser detectada no nível atômico e molecular nas ciências fundamentais, incluindo química, biologia e cristalografia, bem como na prática, como na indústria alimentar e farmacêutica. Para detectar quiralidade, cientistas podem usar interações com campos eletromagnéticos, embora o processo possa ser prejudicado por uma grande incompatibilidade entre o comprimento de onda da luz e o tamanho da maioria das moléculas em dimensões em nanoescala. Metamateriais de designer com características estruturais comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz podem fornecer uma abordagem independente para desenvolver propriedades ópticas sob demanda para aumentar a interação luz-matéria para criar e aumentar a quiralidade óptica dos metamateriais. Nesse trabalho, Sun et al. mostraram aplicações de nanoestruturação artificial para melhorar a resposta fotogalvânica quiral de campos eletromagnéticos. Os metamateriais ressonantes não quirais melhoraram efetivamente a fotoexcitação de estados polarizados por spin. O trabalho mostrou um aumento gigante da resposta fotocorrente quiral extrínseca de um isolador topológico 3D (TI); contendo bismuto, antimônio, telúrio e selênio nas seguintes proporções:Bi _1,5 Sb _0,5 Te _1,8 Se _1,2 , abreviado como BSTS.

Sun et al. transportadores de superfície seletivamente excitados em isoladores topológicos direcionando luz polarizada circularmente em incidência oblíqua na superfície do cristal. Eles determinaram o fluxo de corrente resultante pelo travamento do momento de rotação nos portadores. O cristal isolante topológico era intrinsecamente aquiral, portanto, a fotoexcitação na incidência normal não gerou nenhuma fotocorrente dependente de helicidade (HDPC). Contudo, quando eles conduziram fotoexcitação spin-seletiva de portadores de estado de superfície usando luz incidente obliquamente com uma dada helicidade, eles induziram quiralidade, conforme descrito para metamateriais, via efeito fotogalvânico circular (CPGE). A presença de uma nanoestrutura projetada na superfície dos isoladores topológicos indicou uma absorção ressonante no comprimento de onda de excitação para aumentar efetivamente o número de portadores de indução de superfície, promovido para as bandas de condução em massa. Este processo aumentou significativamente a contribuição do CPGE (efeito fotogalvânico circular) para a fotocorrente. Na configuração experimental, Sun et al. observou como o HDPC (fotocorrente dependente de helicidade) fluiu através de dois contatos de ouro na superfície do cristal sem uma polarização aplicada.

Absorção óptica e design de metamaterial

Para entender o aumento da quiralidade exclusivamente por meio de correntes de spin de superfície topológica, Sun et al. escolheu um projeto de metamaterial que não introduziu quiralidade óptica intrinsecamente ou extrinsecamente. A equipe selecionou uma célula unitária de metamaterial com padrões esculpidos por moagem de feixe de íons focalizado entre dois eletrodos de ouro depositados em um floco de BSTS, que eles observaram usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). A geometria do metamaterial não induziu nenhuma dependência helicoidal, qual Sun et al. confirmado usando mapas de intensidade de campo elétrico para luz circularmente polarizada de lateralidade oposta. Em seguida, a equipe controlou os efeitos fotogalvânicos circulares no isolador topológico usando o metamaterial. Eles mediram o HDPC (fotocorrente dependente da helicidade) sob iluminação quase uniforme sem uma polarização aplicada. A configuração resultou em correntes fototermoelétricas independentes da polarização que contribuíram para o fundo da fotocorrente. O componente da corrente também foi sensível à posição do feixe de excitação na amostra.

Sinal fotocorrente

Para medir sinais claros de fotocorrente, Sun et al. em seguida, ajustou a posição do feixe de laser no floco BSTS e no metamaterial BSTS para obter a fotocorrente máxima. Os cientistas notaram como as contribuições da superfície para as fotocorrentes eram discerníveis mesmo à temperatura ambiente em amostras BSTS não estruturadas, enquanto os componentes em massa ofuscaram sua dependência da helicidade leve, embora seja muito pequeno para qualquer dispositivo ou aplicação prática. Quando a equipe padronizou o floco BSTS com uma matriz de metamaterial de anel quadrado, ele se comportou de maneira marcadamente diferente. A estrutura de metamaterial ressonante induziu maior assimetria em relação às bandas condutoras de superfície para aumentar a corrente de spin líquida. A equipe definiu o dicroísmo circular fotocorrente induzido por estados de superfície polarizados por spin e confirmou a natureza da superfície de HDPC no BSTS. Os resultados do estudo mostraram como os metamateriais não introduziram quiralidade, mas aumentaram a quiralidade extrínseca da camada superficial do BSTS.

Sun et al. em seguida, discutiu o comportamento fotocorrente de metamateriais de transporte de spin via modelagem eletromagnética. A fotocorrente gerada foi diretamente proporcional à absorção óptica, densidade do portador, mobilidade e vida útil do isolador topológico. Com base na suposição de que a absorção óptica do metamaterial BSTS aumentou após a nanoestruturação, enquanto os parâmetros de transporte permaneceram inalterados, Sun et al. mapearam o modelo óptico anisotrópico do portador do cristal isolador topológico BSTS. Os cientistas realizaram simulações eletromagnéticas de onda completa para BSTS não estruturados e nanoestruturados, replicando as condições de iluminação da amostra usadas nos experimentos, compreender a absorção óptica na superfície do isolador topológico. A modelagem eletromagnética concordou bem com os resultados experimentais de HDPC.

Panorama

Desta maneira, X. Sun e colegas forneceram um método para usar metamateriais para controlar o transporte de superfície em isoladores topológicos por meio de projeto estrutural. Este método fornece uma caixa de ferramentas poderosa para preencher a lacuna entre a nanofotônica e a eletrônica de spin. A equipe mostrou como as nanoestruturas ressonantes induzem um aumento gigante da resposta fotocorrente quiral extrínseca de um isolante topológico. Os resultados podem ser explorados para exercer controle sobre as propriedades de transporte de spin de outras classes de materiais quânticos e topológicos.

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