三重簡并拓?fù)浒虢饘費(fèi)oP中超快圓偏振光產(chǎn)生和調(diào)控光生熱電流*

加孜拉·哈賽恩 朱恪嘉 孫飛吳艷玲 石友國 3) 趙繼民3)?

1) (中國科學(xué)院物理研究所, 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心, 北京 100190)

2) (中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院, 北京 100049)

3) (松山湖材料實(shí)驗(yàn)室, 東莞 523808)

1 引 言

外爾半金屬是凝聚態(tài)物質(zhì)中一種獨(dú)特的拓?fù)湮锵? 它具有非平庸的拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu), 在動(dòng)量空間中具有手性相反的兩重簡并節(jié)點(diǎn), 并且不同手性的節(jié)點(diǎn)總是成對存在, 在基礎(chǔ)物性研究中具有重要意義, 為“手征電子學(xué)”和信息器件的發(fā)展提供了新的契機(jī)[1]. 自從理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了具有兩重簡并的外爾半金屬存在后[2,3], 科學(xué)家們致力于尋找簡并度更為豐富的準(zhǔn)粒子, 更預(yù)言了三重、六重以及八重簡并態(tài)的可能存在[4]. 隨后實(shí)驗(yàn)上在MoP中同時(shí)觀測到三重簡并點(diǎn)[5?7]和兩重簡并的外爾點(diǎn),并發(fā)現(xiàn)他們受到體系的旋轉(zhuǎn)以及鏡像對稱性保護(hù).三重簡并點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)大大促進(jìn)了人們對拓?fù)淞孔討B(tài)的理解, 對探索新奇物理現(xiàn)象及發(fā)展新型電子器件提供了一個(gè)新的發(fā)展前景.

超快激光與物質(zhì)的相互作用, 可以激發(fā)固體內(nèi)部的準(zhǔn)粒子產(chǎn)生新奇的光學(xué)或電學(xué)效應(yīng). 例如, 時(shí)間分辨抽運(yùn)-探測方法研究激發(fā)態(tài)準(zhǔn)粒子的超快動(dòng)力學(xué), 包括非常規(guī)高溫超導(dǎo)體[8?11]、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系[12?14]、拓?fù)淞孔討B(tài)[15?17]、半導(dǎo)體材料[18,19]等以及激光誘導(dǎo)及調(diào)控的電子相干性[20?24]、晶格相干性[15,16]、聲波相干性[25]、自旋波量子壓縮態(tài)[26,27]等. 激發(fā)光的偏振可用于產(chǎn)生和控制表面源自拓?fù)涮匦缘淖孕龢O化光電流[28?34](通常只有 pA—nA[32?34]). 2012 年,Mclver等[32]利用 795 nm的激光對拓?fù)浣^緣體Bi2Se3進(jìn)行探測, 成功觀察到了源于拓?fù)浣^緣體表面態(tài)貢獻(xiàn)的光電流, 并發(fā)現(xiàn)改變光的偏振方向會(huì)逆轉(zhuǎn)光電流的方向. 2017年, 他們還使用中紅外激光(10.6 μm)成功探測了拓?fù)浒虢饘賂aAs[33]中的光電流, 并分辨了外爾費(fèi)米子的手性. 2019 年, Ma等[34]在二類外爾半金屬TaIrTe4中采用中紅外激光(4 μm)觀測到了較強(qiáng)的圓偏振光調(diào)控的光電流響應(yīng). 拓?fù)浒虢饘費(fèi)oP內(nèi)部具有三重簡并費(fèi)米子的自旋狀態(tài), 光電流可以在其拓?fù)浔砻娈a(chǎn)生或控制自旋極化電流.

本文設(shè)計(jì)并搭建了激光產(chǎn)生并調(diào)控電流的實(shí)驗(yàn)裝置, 在Bi2Se3中成功探測到了對激光偏振依賴的光電流的變化. 采用上述裝置, 用 400 nm 圓偏振激發(fā)光對MoP進(jìn)行了光電流的探索, 以期激發(fā)及表征其三重簡并費(fèi)米子的手性特征或奇異表面態(tài)性質(zhì). 觀測到了不同空間位置不隨激發(fā)光偏振變化的電流信號(hào), 判斷其并非光電流而是熱電流,分析總結(jié)了MoP中沒有產(chǎn)生光電流的原因. 本文的實(shí)驗(yàn)探索為研究更多的拓?fù)浒虢饘俸屯負(fù)浣^緣體材料的光電流響應(yīng)提供了有益的借鑒, 為拓?fù)洳牧系墓馍鸁犭娏鞯鹊臐撛趹?yīng)用提供了重要的物性基礎(chǔ).

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 光電流的實(shí)驗(yàn)測量

圖 1 (a) 光電流產(chǎn)生和探測實(shí)驗(yàn)裝置, f1 和 f2 為透鏡, BBO 為倍頻非線性晶體; (b) 800 nm (1.55 eV, 粉紅色箭頭) 和 400 nm(3.1 eV, 藍(lán)紫色箭頭) 脈沖激光可能激發(fā)的動(dòng)量區(qū)域, 其中能帶結(jié)構(gòu)引自文獻(xiàn)[35]計(jì)算結(jié)果; (c) MoP中的4個(gè)三重簡并點(diǎn)局域放大(紅色圓圈)[35]Fig. 1. (a) Schematic photocurrent experimental setup. f1 and f2 are focusing lenses. BBO is the doubling frequency nonlinear crystal; (b) the allowed excitation areas by 800 nm (1.55 eV, pink arrows) and 400 nm (3.1 eV, purple arrows) pulsed lasers, respectively.The band structure is adapted from Ref. [35]; (c) the four triple points are highlighted by the red circles[35].

采用中心波長為 800 nm, 重復(fù)頻率為 250 kHz,脈寬為70 fs的摻Ti-藍(lán)寶石飛秒激光光源以及倍頻后的400 nm光源進(jìn)行光電流實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1(a)所示, 800 nm (或經(jīng)過 BBO 晶體倍頻后的400 nm)超快激光脈沖經(jīng)過偏振片后, 再通過旋轉(zhuǎn)后面的l/4波片的角度周期性地改變出射光的偏振類型(左旋光-線偏振光-右旋光). 最后入射光經(jīng)過采樣頻率為1 kHz的斬波器調(diào)制后由焦距為10 cm的凸透鏡聚焦到樣品表面, 光斑直徑大小為 60 μm. 由于光激發(fā)的電流信號(hào)非常小, 通常在pA至nA量級(jí)[32?34], 需要在樣品上制備兩個(gè)電極接至前置放大器上將電流放大, 最終再通過鎖相放大器按照斬波器的采樣頻率進(jìn)行采集記錄, 獲得光電流的信號(hào). 采用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置精確調(diào)節(jié)l/4波片旋轉(zhuǎn)的角度q, 由自行編制的LabVIEW軟件對其進(jìn)行控制. 圖1(b)為引文[35]報(bào)道的MoP的能帶結(jié)構(gòu), 用粉紅色和藍(lán)紫色箭頭分別表示800 nm(1.55 eV)和 400 nm (3.1 eV)激光脈沖激發(fā)電子可能產(chǎn)生光電流的區(qū)域. 圖1(c)為引文[35]報(bào)道的三重簡并點(diǎn), 是圖1(b)的局域放大圖. 紅色圓圈為4個(gè)三重簡并點(diǎn).

2.2 樣品的表征

MoP的單晶通過固相反應(yīng)合成, 樣品制備詳情見文獻(xiàn)[5]. 用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM)觀察樣品表面, 圖 2(a)展示了樣品整體的SEM掃描圖像, 圖2(e), (f)分別展示了樣品在5和20 μm分辨率下的SEM掃描圖像, 大小約為 1 mm × 1 mm, 樣品厚度為 162 μm,其表面非常平整, 適合用于光電流實(shí)驗(yàn)及其他表征. 圖2(a)右圖展示了樣品加上兩個(gè)電極后底部通過低溫膠粘在銅托上的實(shí)物圖, 兩根直徑為20 μm的Pt絲的一端通過銀膠粘在樣品兩側(cè)的表面上, 另一端連接到外電路上.

圖 2 MoP樣品的表征 (a) 光電流實(shí)驗(yàn)所使用的MoP 樣品, 左圖為SEM圖像, 右圖為加電極后粘到銅托上的樣品實(shí)物圖; (b) 常溫下的 Raman 光譜, 紅色箭頭標(biāo)出兩個(gè)拉曼峰; (c) 0 和 7 T 下的電輸運(yùn)測量; (d) 2 K 溫度下的電阻隨磁場的變化; (e) 5 μm 分辨率樣品局部放大SEM圖; (f) 20 μm分辨率樣品局部放大SEM圖Fig. 2. Characterizations of the MoP sample in the photocurrent experiment: (a) SEM image (left panel) and the sample after adding the electrodes (right panel); (b) Raman spectroscopy at room temperature, two red arrows mark the Raman peaks; (c) temperature dependence of the resistance at 0 and 7 T external magnetic field; (d) magnetic field dependence of resistance at 2 K; (e) SEM image with a resolution of 5 μm; (f) SEM image with a resolution of 20 μm.

對樣品進(jìn)行了Raman和輸運(yùn)表征. 圖2(b)為MoP樣品的Raman散射光譜, 采用532 nm波長、0.9 mW功率的線性偏振連續(xù)激光作為光源進(jìn)行了近場共聚焦拉曼光譜測量, 透過一個(gè)50× 的物鏡匯聚到樣品表面, Raman光譜的分辨率為2 cm–1. 從獲得的 Raman 光譜中可以看到, 在 133.9和 406.8 cm–1處各出現(xiàn)了一個(gè) Raman 峰, 尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)MoP的詳細(xì)的Raman研究工作被報(bào)道.圖2(c)為MoP在0和7 T磁場下進(jìn)行的電輸運(yùn)測量, 其中黑色曲線為不加磁場時(shí)的數(shù)據(jù)(黑色箭頭表示升溫過程), 紅色曲線為7 T磁場下的測量數(shù)據(jù)(紅色箭頭表示降溫過程). 由圖2(c)中曲線可以看出, 在有無磁場條件下, 電阻率隨溫度的變化曲線基本重合, 均在大約50 K附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.說明磁場不會(huì)對MoP的輸運(yùn)特性產(chǎn)生影響. 在0 K時(shí)電阻率不為0, 經(jīng)計(jì)算剩余電阻率(residual resistance ration, RRR) 大約為 RRR =R300 K/R2 K= 2.87; 與文獻(xiàn) [35]的結(jié)果趨勢相似, 僅 RRR有些差異, 可能與樣品生長條件不同、摻雜濃度不同、電極接觸電阻、或樣品表面有氧化等有關(guān). 圖2(d)所示為MoP在2 K溫度下測得的電阻隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線, 圖2(d)中顯示其電阻隨磁場基本不變; 這也與文獻(xiàn)[35]報(bào)道的數(shù)值有較大出入, 可能是同樣原因造成, 或者系不同樣品三重簡并點(diǎn)離費(fèi)米面距離不一樣所致.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖 3 (a) 光電流實(shí)驗(yàn)示意圖; (b) 不同入射角情形下 Bi2Se3 樣品的光電流強(qiáng)度對激發(fā)光圓偏振度的依賴關(guān)系 (有 offset); (c) 光45°入射Bi2Se3樣品情形下, 掃描X方向位置, 光電流強(qiáng)度對偏振的依賴關(guān)系圖; (d) 光45°入射Bi2Se3樣品情形下, 掃描Y方向位置, 光電流強(qiáng)度對偏振的依賴關(guān)系圖Fig. 3. (a) Schematic of the experimental geometry; (b) photocurrent intensity depending on the polarization of the laser beam under different incident angles, which is offset for clarity; (c) photocurrent intensity depending on the sample position along the X axis,where the incident angle of ultrafast pulses is 45°; (d) photocurrent intensity depending on the sample position along the Y axis,with 45° incidence angle.

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性, 首先利用上述實(shí)驗(yàn)裝置對拓?fù)浣^緣體Bi2Se3進(jìn)行光電流探測實(shí)驗(yàn), 成功觀測到了對偏振依賴的光電流信號(hào)(圖3).圖3(a)為光電流實(shí)驗(yàn)的示意圖,a為激光入射方向與樣品表面法線的夾角,q為l/4波片旋轉(zhuǎn)的角度,樣品表面標(biāo)記為XY平面. 圖3(b)為不同a角度下光電流隨l/4波片旋轉(zhuǎn)角度的變化, 采用中心波長為800 nm的激光脈沖, 入射光斑相對于樣品的位置 (對應(yīng)圖 3(a)坐標(biāo))為 (0 μm, 30 μm). 從圖 3可以看到, 其光電流隨q改變呈周期性變化, 說明光電流的強(qiáng)度受到了激發(fā)光偏振類型的周期性調(diào)制. 圖 3(c), (d)為激發(fā)光在 45°入射下, 激光在X和Y方向的不同位置的光電流變化的彩圖, 此圖清楚地顯示了不同位置下光電流受圓偏振周期性調(diào)制的特點(diǎn), 從圖 3(c), (d)中可以看出, 在實(shí)驗(yàn)中探測到的電流由兩部分組成, 一部分是與激光偏振類型無關(guān), 僅與光斑位置有關(guān)的熱電流; 另一部分是與激光偏振類型緊密相關(guān)的光電流. 本研究組的實(shí)驗(yàn)范式與國際上已經(jīng)發(fā)表的工作相符, 觀測到所測信號(hào)受到l/4波片調(diào)控[32], 說明了實(shí)驗(yàn)方法的有效性. 本研究組實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種實(shí)驗(yàn)構(gòu)型, 與文獻(xiàn)[32]的圖2(b)實(shí)驗(yàn)構(gòu)型相符, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近(注: 文獻(xiàn) [32]是 15 K 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 本研究組的是室溫結(jié)果), 與圖2(a),(c)構(gòu)型不同, 結(jié)果沒有可比性. 在進(jìn)行光電流實(shí)驗(yàn)及其所需樣品與器件制備方面, 本研究組也積累了比較成熟的經(jīng)驗(yàn)和技巧, 這為MoP的光電流實(shí)驗(yàn)探測提供了光學(xué)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)和樣品器件制備兩方面的基礎(chǔ).

接下來分別采用800和400 nm的激發(fā)光對MoP樣品進(jìn)行了類似的光電流實(shí)驗(yàn). MoP的晶體結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示, 其空間群為具有C3z旋轉(zhuǎn)對稱性和My,Mz兩種鏡像對稱性[5].圖 4(a) 中, 紫色實(shí)心球?yàn)?P 原子, 位于 (0, 0, 0) 的頂點(diǎn)位置; 棕色實(shí)心球?yàn)?Mo 原子, 位于 (1/3, 2/3,1/2)的體內(nèi)位置. 圖4(b)為光激發(fā)樣品時(shí)的空間位置示意圖. 采用 800 nm 波長 (能量 1.55 eV)和400 nm波長(能量3.1 eV)的激光分別進(jìn)行了光電流的實(shí)驗(yàn), 其中入射角a= 45°. 實(shí)驗(yàn)表明, 在800 nm激發(fā)下, 沒有觀察到光電流或熱電流的信號(hào); 在 400 nm激發(fā)下, 觀測到微弱的電流信號(hào).圖4(c)中展示了該電流信號(hào), 其中紅色和藍(lán)色小球分別代表在兩個(gè)對稱位置P1和P2處(圖4(b))測得的電流強(qiáng)度, 作為對比同時(shí)展示了沒有激光照射時(shí)的測量結(jié)果(灰色小球). 在整個(gè)對比實(shí)驗(yàn)過程中, 實(shí)驗(yàn)室燈光是關(guān)閉的, 以剔除其他光源引起的電流效應(yīng). 圖4(c)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示, 在沒有激光照射下, 測量的均值為 0; 在有激光脈沖照射時(shí), 在P1和P2兩處測量到非零的電流信號(hào)(紅色和藍(lán)色區(qū)域的中間深色橫條為測量值的均值). 該電流信號(hào)是激光照射造成的樣品電流, 我們認(rèn)為是光照下樣品表面形成了溫度梯度, 進(jìn)而引起的熱電流, 理由有兩點(diǎn). 第一, 圖4(c)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有表現(xiàn)出電流信號(hào)對角度的依賴. 對圖4(c)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換, 結(jié)果完全為噪聲, 沒有峰值跡象, 在目前實(shí)驗(yàn)噪聲水平上可以確認(rèn)沒有角度依賴. 這與圖3(b)的周期性實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同, 說明沒有觀測到光電流的典型特征. 第二, 在P1和P2兩處對稱位置測得的電流信號(hào)絕對值相同, 方向相反, 這是熱電流的典型特征.

圖 4 (a) MoP 樣品的晶格結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 光激發(fā)樣品的光斑位置示意圖; (c) 400 nm 超快激光照射 MoP 樣品的 P1 和 P2 兩個(gè)對稱位置時(shí), 分別測得的電流隨偏振的依賴關(guān)系. 紅色和藍(lán)色代表P1和P2兩個(gè)位置, 灰色為不加光照射時(shí)測得的電流Fig. 4. (a) Schematic lattice structure of MoP, purple and brown spheres represent P and Mo atoms, respectively; (b) schematic diagram of the experiment illustrating the two photoexcitation positions on the sample; (c) polarization dependence of the current intensity at P1 and P2 under 400 nm light excitation. Solid dots in red and blue are current intensity data obtained at P1 and P2,respectively. Gray dots donate the situation without any light excitation.

分析在實(shí)驗(yàn)中未能在MoP單晶中觀測到偏振依賴類型的光電流可能的原因有: 1) 雖然能量匹配, 但是其中只有很小一部分是直接或間接激發(fā)了三重簡并點(diǎn)附近的電子, 在這一小部分電子中可能有一部分在室溫下失去了拓?fù)涮匦? 剩余的部分自旋還受擴(kuò)散等因素影響使得自旋壽命為有限, 最終的效果是使得探測光電流很具挑戰(zhàn)性; 2) 電極制作技術(shù)不夠精密, 接觸電阻太大, 使得信號(hào)被淹沒在背底之中, 但從較為成功的Bi2Se3對比實(shí)驗(yàn)看來, 這方面的影響并不是決定性的; 3) MoP 的表面存在雜質(zhì)或者已經(jīng)氧化; 4) 在該體系中, 外爾錐或三重簡并錐不夠傾斜, 不同的外爾錐附近的光激發(fā)載流子產(chǎn)生的電流相互抵消, 總的凈電流為0.針對以上可能的原因, 為了進(jìn)一步探測該體系中的光電流響應(yīng), 對于實(shí)驗(yàn)的方案進(jìn)行了改進(jìn), 包括:1) 選取更為合適的激發(fā)波長, 例如中遠(yuǎn)紅外、THz波段等, 但此方法面臨拓?fù)淞孔討B(tài)深埋于費(fèi)米面以下等挑戰(zhàn); 2)對樣品電極制備進(jìn)行更為精密的微加工處理, 進(jìn)一步減小接觸電阻; 3) 對樣品表面進(jìn)行拋光處理, 必要情況下嘗試進(jìn)行原位生長測量;4) 增加對樣品的外場調(diào)控, 諸如磁場、應(yīng)力場等.

4 結(jié) 論

本研究組設(shè)計(jì)并搭建了超快圓偏振激光調(diào)控光電流的實(shí)驗(yàn)裝置, 并成功在拓?fù)浣^緣體Bi2Se3中觀測到了隨l/4波片角度依賴的周期性變化的光電流信號(hào), 說明實(shí)驗(yàn)裝置的有效性和可靠性. 進(jìn)一步對拓?fù)浒虢饘費(fèi)oP進(jìn)行了光電流實(shí)驗(yàn)的初步探索, 在400 nm激光照射下明確地探測到了熱電流信號(hào), 為下一步在MoP中產(chǎn)生和調(diào)制光電流信號(hào)提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ), 也為研究普遍的拓?fù)淞孔硬牧系墓怆娏餍?yīng)提供了更為廣闊的空間.