近日，南京大学张荣院士、王学锋教授课题组与金飚兵教授、南京理工大学翟学超教授等多个课题组合作在拓扑自旋光电流方面取得重要进展。他们通过在狄拉克半金属二碲化铂（PtTe2）薄膜中引入对称性破缺调控拓扑体系的能带结构，实现了贝里曲率偶极矩驱动的高效自旋光电流太赫兹发射，并通过缺陷工程建立了两者之间的定量关系。该工作不仅提供了一条引入对称性破缺实现拓扑体系高效非线性输运的普适路径，而且为发展基于大面积拓扑薄膜材料的自旋集成光电器件奠定了实验基础。
1984年，物理学家Michael Berry首次提出了贝里相位（Berry phase）的基本概念，随后逐渐发展出贝里曲率（Berry Curvature）概念，后者描述的是由量子本征态的几何结构引起的动量空间的弯曲以及材料能带结构的拓扑特性。贝里曲率偶极矩（Berry curvature dipole, BCD）则描述贝里曲率在能带结构中的不平衡分布。它作为一个赝矢量，来自材料费米面附近占据态上贝里曲率的一阶微分，可揭示材料中非平庸的二阶非线性输运过程。近年来，新型量子材料因其在对称性、自旋轨道耦合以及拓扑能带等方面具有可调性，已成为国际上物态调控领域的前沿研究热点之一。科学家们最近陆续在拓扑外尔半金属、拓扑绝缘体、转角石墨烯、氧化物二维电子气和二维半导体异质界面等多个体系中观察到了与BCD密切相关的非线性霍尔效应或非线性光学现象。然而，要在中心对称结构的量子材料体系中也能观察到与BCD关联的非线性物理现象，却极具挑战。
针对上述挑战，课题组基于对称性工程，在典型的II型拓扑狄拉克半金属PtTe2薄膜中，通过变化缺陷梯度、改变薄膜厚度和测量温度等技术手段，利用全光学的太赫兹发射谱和第一性原理计算，系统研究了能带调控、由对称性破缺产生的太赫兹发射及其物理机制。
首先，课题组利用改进的两步法化学气相沉积技术制备了大面积PtTe2薄膜，通过最先进的电子叠层成像技术获得了PtTe2薄膜中沿厚度方向上的碲空位（VTe）缺陷的梯度分布，与理论计算得到的厚度方向上的VTe缺陷形成能大体吻合。而薄膜的拉曼面扫分布图表明缺陷在面内是随机分布的。因此，具有VTe缺陷梯度的PtTe2薄膜可以认为是一个由众多不同缺陷浓度的单层PtTe2-x组成的异质结集合体。由于相邻层之间的Te空位浓度（x）和位置的不同，导致整个薄膜系统的反演对称中心和面内旋转对称性均被打破，于是点群的对称性从C3v降为C1。
随后，课题组利用太赫兹发射谱（图1a）对其进行了线偏振光垂直泵浦的太赫兹发射研究。他们发现太赫兹发射强度与飞秒激光的功率密度呈线性依赖关系，与二分之一波片的角度（ϕλ/2）符合cos2ϕ 的关系（图1b）。该现象来源于二阶非线性光学响应中的线偏振光电流效应（Linear photogalvanic effect, LPGE）。接着，课题组进行了圆偏振光垂直泵浦的太赫兹探测，发现在左/右旋圆偏振光的垂直泵浦下也观察到了太赫兹发射，且信号完全反相（图1c），这种现象源自于圆偏振光电流效应（Circular photogalvanic effect, CPGE），其强度表示为左旋和右旋圆偏振光泵浦出的超快光电流太赫兹信号差值，表现为自旋极化。值得一提的是，PtTe2的太赫兹发射效率是商用ZnTe单晶的近1000倍，展现了其作为未来太赫兹源的巨大应用潜力。同时在对照样品中（无缺陷梯度）并无明显的太赫兹信号产生。这些结果充分证明了VTe垂直缺陷梯度打破了体系的空间反演对称性和面内旋转对称性，因而产生了螺旋依赖的太赫兹发射。他们对该样品进行四分之一波片角度依赖测试，发现太赫兹信号的螺旋依赖性具有明显的面内各向异性（图1d），这与PtTe2薄膜中的三重旋转对称性破缺所产生的各向异性能带有关。
图1 在对称性破缺的PtTe2薄膜中所观测到的螺旋依赖太赫兹发射。
为了深入理解CPGE超快自旋光电流的产生机制，课题组对完美晶体和具有缺陷梯度的PtTe2进行了密度泛函第一性原理计算。对无缺陷PtTe2的能带计算结果显示，由于受空间和时间反演对称性的保护，狄拉克点附近的能带完全自旋简并；而当引入缺陷梯度后，狄拉克点会产生明显的自旋劈裂，从而证实缺陷梯度诱导狄拉克体系的对称性发生了破缺，使得原本简并的能带发生了零场自旋劈裂。这也是实验上能够探测到超快自旋光电流的先决条件。为了论证贝里曲率偶极矩（BCD）与CPGE的定量关系，课题组利用真空后退火技术制备了一系列具有不同VTe缺陷梯度的样品，并对其测量了CPGE光电流（图2a）。为了准确有效地获得来自VTe缺陷的载流子贡献，他们对其具有非线性特征的霍尔曲线采用双载流子模型拟合，获得了VTe缺陷梯度的有效贡献（图2b），发现CPGE大小与VTe有效贡献随退火时间的变化完全一致（图2c）。对BCD的理论计算结果表明，随着VTe缺陷梯度增加，薄膜中的BCD大小随之增加（图2d-f），从而解释了CPGE随退火时间不断增加的演化曲线。然而，由于长时间真空后退火使得缺陷浓度显著增加，不可避免地降低了载流子的弛豫时间，因而CPGE之后又迅速下降（图2c）。因此，真空后退火实验和BCD理论计算结果建立了BCD与超快自旋光电流之间的定量关系，阐明了BCD驱动CPGE超快自旋光电流太赫兹发射的机制。
图2 通过缺陷工程从实验和理论上揭示了PtTe2薄膜中螺旋依赖太赫兹发射机制。
此外，课题组还利用相同的方法制备得到了另一种II型拓扑狄拉克半金属PtSe2薄膜，发现在垂直激光泵浦下同样出现了螺旋依赖的太赫兹发射。该工作不仅提供了一条引入对称性破缺调控中心对称结构体系的非线性输运的普适路径，而且为构建基于更广泛量子材料体系的非线性光学器件和自旋集成光电器件奠定了基础。
相关成果以“Defect-induced helicity dependent terahertz emission in Dirac semimetal PtTe2 thin films”为题，于2024年3月23日在线发表于国际著名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。南京大学王学锋教授、张荣院士、金飚兵教授和南京理工大学翟学超教授为该工作的共同通讯作者，南京大学电子科学与工程学院博士生陈中强、集成电路学院邱红松助理教授、南京理工大学博士生程新娟为共同第一作者。南京大学宋凤麒教授、奚啸翔教授、张彩虹教授、清华大学于荣教授、上海理工大学金钻明副教授等对该工作提供了大力支持和重要帮助。南京大学是第一完成单位。该项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助，同时也得到了江苏省光电信息功能材料重点实验室、自旋芯片与技术全国重点实验室、极端性能光电技术教育部重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等研究平台的支持。