💡这项突破是什么?
近日，南京大学现代工程与应用科学学院袁洪涛教授团队在半导体异质界面中，通过对称性工程调控，首次实现了贝里曲率偶极矩的诱导和调控，并揭示了其与圆偏振自旋光电流之间的内在联系。相关研究成果以'Berry curvature dipole generation and helicity-to-spin conversion at symmetry-mismatched heterointerfaces'为题，发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。
贝里曲率是描述布洛赫电子在动量空间中的几何性质的重要物理量，其空间分布的不均匀性可以导致贝里曲率偶极矩的产生。贝里曲率偶极矩与许多新奇的物理现象密切相关，例如非线性霍尔效应、非线性能谷霍尔效应、圆偏振光电流效应等。然而，在传统的中心对称材料中，贝里曲率偶极矩通常为零。因此，如何打破空间反演对称性，诱导并调控贝里曲率偶极矩，是当前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一。
近年来，二维范德华异质结为探索贝里曲率偶极矩相关的物理现象提供了理想的平台。通过将不同对称性的二维材料堆叠在一起，可以在异质界面处形成对称性不匹配，从而打破空间反演对称性，诱导出贝里曲率偶极矩。然而，目前对于异质界面处贝里曲率偶极矩的微观起源、调控手段及其与光电流效应之间的关联仍缺乏深入的理解。
针对上述问题，袁洪涛教授团队与合作者设计并制备了两种具有不同对称性的异质界面：具有C1v对称性的WSe2/ReS2异质界面和具有C1对称性的WSe2/SiP异质界面。通过圆偏振自旋光电流的测量，他们发现，在具有C1v对称性的WSe2/ReS2异质界面中，圆偏振自旋光电流仅在垂直于镜面对称轴的方向上被观测到（图1）。相比之下，在具有C1对称性的WSe2/SiP异质界面中，由于缺乏镜面对称性，在x和y方向上都可以清晰地观察到圆偏振自旋光电流，不具有方向选择性。这些结果清楚地表明，在对称性工程调控的异质界面上，镜面对称性对于确定贝里曲率偶极矩的方向和相应的圆偏振自旋光电流现象至关重要。
图2：具有不同对称性的异质界面的圆偏振自旋光电流。a, 具有C1v对称性的异质界面示意图，m表示镜面对称性。b,c, 具有C1v对称性的异质界面测量的Jx和Jy，其中CPGE和LPGE分别表示圆偏振自旋光电流效应和线偏振光电流效应。d, 具有C1对称性的异质界面的示意图。e,f, 具有C1对称性的异质界面测量的Jx和Jy。
为了理解圆偏振自旋光电流产生过程中光学跃迁的细节，作者们研究了WSe2/SiP异质界面上圆偏振自旋光电流的对入射光的波长依赖响应，进一步发现与1.2 eV处的共振峰相对应的圆偏振自旋光电流的幅度可以通过施加负的栅极偏压强烈增强（图3）。它的栅极演化行为恰好遵循了贝里曲率偶极矩随费米能级变化的演化规律，随费米面下降呈现先增大后减小的趋势，表明了圆偏振自旋光电流的本质起源是来自于对称性不匹配的异质界面处电子带结构的贝里曲率偶极矩。文章作者们推测，这个共振峰可能对应于单层WSe2的带内光学跃迁。由于光子动量极小，因此通常情况下，带内光学跃迁因动量守恒而被禁止。然而，WSe2和SiP之间的晶格失配打破了WSe2中的动量守恒，使得带内跃迁成为可能。重要的是，异质界面上形成的新的莫尔（Moiré）周期，因此异质界面的布里渊区的发生折叠而产生莫尔子带。在这个莫尔布里渊区中，圆偏振光激发过程可以被理解为是从莫尔子带跃迁到WSe2价带顶的直接光学跃迁过程。需要注意的是，圆偏振自旋光电流是具有谷选择性的，结合单层TMD材料中的自旋–能谷锁定的性质，上述能谷不平衡性质进一步导致谷自旋极化的圆偏振自旋光电流同时也是自旋极化的，明确论证了在WSe2/SiP异质界面中能带的贝里曲率偶极矩–自旋–能谷三重锁定的性质，为拓扑光电子自旋器件奠定重要基础。
图3：WSe2/SiP异质界面圆偏振自旋光电流的微观起源。a, 垂直入射下圆偏振自旋光电流的对入射光的波长依赖响应，其中插图显示了可能的光学跃迁过程。b,圆偏振自旋光电流JC随激发光子能量和栅极电压VG的依赖关系。c, 异质界面上的光电流Jx随着栅极电压VG的演化关系。d, 倾斜的狄拉克锥型能带结构示意图和贝里曲率偶极矩的大小Dx随费米能级EF的演化。e, 费米面上产生圆偏振自旋光电流的示意图。
相关研究工作以Berry curvature dipole generation and helicity-to-spin conversion at symmetry-mismatched heterointerfaces为题，发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。南京大学现代工程与应用科学学院博士生段思羽、博士后秦峰和博士生陈朋为论文的共同第一作者。南京大学现代工程与应用科学学院袁洪涛教授、美国普林斯顿大学廉骉教授和日本东京大学Toshiya Ideue副教授为论文共同通讯作者。该研究工作还得到日本东京大学Yoshihiro Iwasa教授团队、南京大学物理学院奚啸翔教授团队，以及美国加利福尼亚大学伯克利分校姚杰副教授团队的大力支持和帮助。该研究得到了国家自然科学基金委中日韩前瞻性研究计划、科技部重点研发计划、南京大学固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学中央高校基本科研业务费、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、江苏省双创团队/双创人才、江苏省优势学科等的资助与支持。
论文信息:
Berry curvature dipole generation and helicity-to-spin conversion at symmetry-mismatched heterointerfaces
Siyu Duan†, Feng Qin†, Peng Chen†, Xupeng Yang, Caiyu Qiu, Junwei Huang, Gan Liu, Zeya Li, Xiangyu Bi, Fanhao Meng, Xiaoxiang Xi, Jie Yao, Toshiya Ideue*, Biao Lian*, Yoshihiro Iwasa & Hongtao Yuan*
Nature Nanotechnology (2023) DOI: 10.1038/s41565-023-01417-z.
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01417-z
