三重簡并拓撲半金屬MoP中超快圓偏振光產生和調控光生熱電流*

加孜拉·哈賽恩 朱恪嘉 孫飛吳艷玲 石友國 3) 趙繼民3)?

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

2) (中國科學院大學物理科學學院, 北京 100049)

3) (松山湖材料實驗室, 東莞 523808)

1 引 言

外爾半金屬是凝聚態物質中一種獨特的拓撲物相, 它具有非平庸的拓撲能帶結構, 在動量空間中具有手性相反的兩重簡并節點, 并且不同手性的節點總是成對存在, 在基礎物性研究中具有重要意義, 為“手征電子學”和信息器件的發展提供了新的契機[1]. 自從理論預測和實驗證實了具有兩重簡并的外爾半金屬存在后[2,3], 科學家們致力于尋找簡并度更為豐富的準粒子, 更預言了三重、六重以及八重簡并態的可能存在[4]. 隨后實驗上在MoP中同時觀測到三重簡并點[5?7]和兩重簡并的外爾點,并發現他們受到體系的旋轉以及鏡像對稱性保護.三重簡并點的發現大大促進了人們對拓撲量子態的理解, 對探索新奇物理現象及發展新型電子器件提供了一個新的發展前景.

超快激光與物質的相互作用, 可以激發固體內部的準粒子產生新奇的光學或電學效應. 例如, 時間分辨抽運-探測方法研究激發態準粒子的超快動力學, 包括非常規高溫超導體[8?11]、強關聯體系[12?14]、拓撲量子態[15?17]、半導體材料[18,19]等以及激光誘導及調控的電子相干性[20?24]、晶格相干性[15,16]、聲波相干性[25]、自旋波量子壓縮態[26,27]等. 激發光的偏振可用于產生和控制表面源自拓撲特性的自旋極化光電流[28?34](通常只有 pA—nA[32?34]). 2012 年,Mclver等[32]利用 795 nm的激光對拓撲絕緣體Bi2Se3進行探測, 成功觀察到了源于拓撲絕緣體表面態貢獻的光電流, 并發現改變光的偏振方向會逆轉光電流的方向. 2017年, 他們還使用中紅外激光(10.6 μm)成功探測了拓撲半金屬TaAs[33]中的光電流, 并分辨了外爾費米子的手性. 2019 年, Ma等[34]在二類外爾半金屬TaIrTe4中采用中紅外激光(4 μm)觀測到了較強的圓偏振光調控的光電流響應. 拓撲半金屬MoP內部具有三重簡并費米子的自旋狀態, 光電流可以在其拓撲表面產生或控制自旋極化電流.

本文設計并搭建了激光產生并調控電流的實驗裝置, 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 圓偏振激發光對MoP進行了光電流的探索, 以期激發及表征其三重簡并費米子的手性特征或奇異表面態性質. 觀測到了不同空間位置不隨激發光偏振變化的電流信號, 判斷其并非光電流而是熱電流,分析總結了MoP中沒有產生光電流的原因. 本文的實驗探索為研究更多的拓撲半金屬和拓撲絕緣體材料的光電流響應提供了有益的借鑒, 為拓撲材料的光生熱電流等的潛在應用提供了重要的物性基礎.

2 實 驗

2.1 光電流的實驗測量

圖 1 (a) 光電流產生和探測實驗裝置, 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, 藍紫色箭頭) 脈沖激光可能激發的動量區域, 其中能帶結構引自文獻[35]計算結果; (c) MoP中的4個三重簡并點局域放大(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, 重復頻率為 250 kHz,脈寬為70 fs的摻Ti-藍寶石飛秒激光光源以及倍頻后的400 nm光源進行光電流實驗. 實驗裝置如圖 1(a)所示, 800 nm (或經過 BBO 晶體倍頻后的400 nm)超快激光脈沖經過偏振片后, 再通過旋轉后面的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). 最后入射光經過采樣頻率為1 kHz的斬波器調制后由焦距為10 cm的凸透鏡聚焦到樣品表面, 光斑直徑大小為 60 μm. 由于光激發的電流信號非常小, 通常在pA至nA量級[32?34], 需要在樣品上制備兩個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行采集記錄, 獲得光電流的信號. 采用電動旋轉裝置精確調節l/4波片旋轉的角度q, 由自行編制的LabVIEW軟件對其進行控制. 圖1(b)為引文[35]報道的MoP的能帶結構, 用粉紅色和藍紫色箭頭分別表示800 nm(1.55 eV)和 400 nm (3.1 eV)激光脈沖激發電子可能產生光電流的區域. 圖1(c)為引文[35]報道的三重簡并點, 是圖1(b)的局域放大圖. 紅色圓圈為4個三重簡并點.

2.2 樣品的表征

MoP的單晶通過固相反應合成, 樣品制備詳情見文獻[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, 適合用于光電流實驗及其他表征. 圖2(a)右圖展示了樣品加上兩個電極后底部通過低溫膠粘在銅托上的實物圖, 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) 光電流實驗所使用的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物圖; (b) 常溫下的 Raman 光譜, 紅色箭頭標出兩個拉曼峰; (c) 0 和 7 T 下的電輸運測量; (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.

對樣品進行了Raman和輸運表征. 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激光作為光源進行了近場共聚焦拉曼光譜測量, 透過一個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處各出現了一個 Raman 峰, 尚未發現有關MoP的詳細的Raman研究工作被報道.圖2(c)為MoP在0和7 T磁場下進行的電輸運測量, 其中黑色曲線為不加磁場時的數據(黑色箭頭表示升溫過程), 紅色曲線為7 T磁場下的測量數據(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附近出現轉折.說明磁場不會對MoP的輸運特性產生影響. 在0 K時電阻率不為0, 經計算剩余電阻率(residual resistance ration, RRR) 大約為 RRR =R300 K/R2 K= 2.87; 與文獻 [35]的結果趨勢相似, 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. 圖2(d)所示為MoP在2 K溫度下測得的電阻隨磁感應強度的變化曲線, 圖2(d)中顯示其電阻隨磁場基本不變; 這也與文獻[35]報道的數值有較大出入, 可能是同樣原因造成, 或者系不同樣品三重簡并點離費米面距離不一樣所致.

3 實驗結果和討論

圖 3 (a) 光電流實驗示意圖; (b) 不同入射角情形下 Bi2Se3 樣品的光電流強度對激發光圓偏振度的依賴關系 (有 offset); (c) 光45°入射Bi2Se3樣品情形下, 掃描X方向位置, 光電流強度對偏振的依賴關系圖; (d) 光45°入射Bi2Se3樣品情形下, 掃描Y方向位置, 光電流強度對偏振的依賴關系圖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.

為了驗證實驗裝置的可靠性, 首先利用上述實驗裝置對拓撲絕緣體Bi2Se3進行光電流探測實驗, 成功觀測到了對偏振依賴的光電流信號(圖3).圖3(a)為光電流實驗的示意圖,a為激光入射方向與樣品表面法線的夾角,q為l/4波片旋轉的角度,樣品表面標記為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 (對應圖 3(a)坐標)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, 說明光電流的強度受到了激發光偏振類型的周期性調制. 圖 3(c), (d)為激發光在 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制的特點, 從圖 3(c), (d)中可以看出, 在實驗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, 僅與光斑位置有關的熱電流; 另一部分是與激光偏振類型緊密相關的光電流. 本研究組的實驗范式與國際上已經發表的工作相符, 觀測到所測信號受到l/4波片調控[32], 說明了實驗方法的有效性. 本研究組實驗報道了一種實驗構型, 與文獻[32]的圖2(b)實驗構型相符, 實驗結果接近(注: 文獻 [32]是 15 K 的實驗結果, 本研究組的是室溫結果), 與圖2(a),(c)構型不同, 結果沒有可比性. 在進行光電流實驗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驗和技巧, 這為MoP的光電流實驗探測提供了光學輸運實驗和樣品器件制備兩方面的基礎.

接下來分別采用800和400 nm的激發光對MoP樣品進行了類似的光電流實驗. MoP的晶體結構如圖4(a)所示, 其空間群為具有C3z旋轉對稱性和My,Mz兩種鏡像對稱性[5].圖 4(a) 中, 紫色實心球為 P 原子, 位于 (0, 0, 0) 的頂點位置; 棕色實心球為 Mo 原子, 位于 (1/3, 2/3,1/2)的體內位置. 圖4(b)為光激發樣品時的空間位置示意圖. 采用 800 nm 波長 (能量 1.55 eV)和400 nm波長(能量3.1 eV)的激光分別進行了光電流的實驗, 其中入射角a= 45°. 實驗表明, 在800 nm激發下, 沒有觀察到光電流或熱電流的信號; 在 400 nm激發下, 觀測到微弱的電流信號.圖4(c)中展示了該電流信號, 其中紅色和藍色小球分別代表在兩個對稱位置P1和P2處(圖4(b))測得的電流強度, 作為對比同時展示了沒有激光照射時的測量結果(灰色小球). 在整個對比實驗過程中, 實驗室燈光是關閉的, 以剔除其他光源引起的電流效應. 圖4(c)實驗數據顯示, 在沒有激光照射下, 測量的均值為 0; 在有激光脈沖照射時, 在P1和P2兩處測量到非零的電流信號(紅色和藍色區域的中間深色橫條為測量值的均值). 該電流信號是激光照射造成的樣品電流, 我們認為是光照下樣品表面形成了溫度梯度, 進而引起的熱電流, 理由有兩點. 第一, 圖4(c)的實驗結果沒有表現出電流信號對角度的依賴. 對圖4(c)的數據進行傅里葉變換, 結果完全為噪聲, 沒有峰值跡象, 在目前實驗噪聲水平上可以確認沒有角度依賴. 這與圖3(b)的周期性實驗結果不同, 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 樣品的晶格結構示意圖; (b) 光激發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 兩個對稱位置時, 分別測得的電流隨偏振的依賴關系. 紅色和藍色代表P1和P2兩個位置, 灰色為不加光照射時測得的電流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.

分析在實驗中未能在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了三重簡并點附近的電子, 在這一小部分電子中可能有一部分在室溫下失去了拓撲特性, 剩余的部分自旋還受擴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性; 2) 電極制作技術不夠精密, 接觸電阻太大, 使得信號被淹沒在背底之中, 但從較為成功的Bi2Se3對比實驗看來, 這方面的影響并不是決定性的; 3) MoP 的表面存在雜質或者已經氧化; 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載流子產生的電流相互抵消, 總的凈電流為0.針對以上可能的原因, 為了進一步探測該體系中的光電流響應, 對于實驗的方案進行了改進, 包括:1) 選取更為合適的激發波長, 例如中遠紅外、THz波段等, 但此方法面臨拓撲量子態深埋于費米面以下等挑戰; 2)對樣品電極制備進行更為精密的微加工處理, 進一步減小接觸電阻; 3) 對樣品表面進行拋光處理, 必要情況下嘗試進行原位生長測量;4) 增加對樣品的外場調控, 諸如磁場、應力場等.

4 結 論

本研究組設計并搭建了超快圓偏振激光調控光電流的實驗裝置, 并成功在拓撲絕緣體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, 說明實驗裝置的有效性和可靠性. 進一步對拓撲半金屬MoP進行了光電流實驗的初步探索, 在400 nm激光照射下明確地探測到了熱電流信號, 為下一步在MoP中產生和調制光電流信號提供了重要的實驗基礎, 也為研究普遍的拓撲量子材料的光電流效應提供了更為廣闊的空間.