基于第二类外尔半金属WTe2的光的轨道角动量（OAM）拓扑电荷的直接表征为OAM的直接电读出拉开了帷幕，然而这一工作仅限于近红外波长范围，尚未将直接OAM检测推广到中红外波段。这是因为绝大多数光电流响应研究对相位信息不敏感，且中红外波段下的光电流响应往往十分微弱。近期，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋长聘副教授与合作者在中红外波段下光的OAM探测这一领域取得了新突破：课题组设计了一种基于II型Weyl半金属钽铱碲（TaIrTe4）的光电探测器，该探测器具有特殊的电极几何形状，可利用轨道光电效应（OPGE）直接检测OAM的拓扑电荷，此外TaIrTe4中红外波段拓扑增强的响应能够进一步帮助克服响应低的问题。相关成果发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202201229）。
基于第二类外尔半金属TaIrTe4的中红外光轨道角动量的直接光电探测
近期，北京大学物理学院量子材料科学中心的孙栋长聘副教授课题组与合作者设计了一种具有特殊电极几何形状的II型Weyl半金属钽铱碲光电探测器，通过轨道光电流效应（OPGE）直接检测OAM的拓扑荷。课题组首先计算了TaIrTe4在0AM光照下的响应，基于沿z方向传播的具有拉盖尔-高斯（LG）模式的OAM光束形式，考虑TaIrTe4的晶体点群结构后，课题组通过计算得到光的OAM产生的二阶直流电流密度，并将其根据其对SAM（σ）和OAM（m）的依赖性分为四项。课题组通过进一步的计算，证明了积分光电流响应与光束能量成正比，而对于不同的OAM阶数，光束能量是保持不变的。基于光电流的性质，课题组设计了U形、Ω形和星形电极来收集不同方向的电流，其中U形对径向电流敏感，而Ω形和星形对角向电流敏感。此外，课题组还分析了OPGE的产生机制，并给出了实验中可能产生的各种副效应（如s-PGE），分析了这些副效应可能对实验产生的影响。
图 1. TaIrTe4样品的基本特性（来源：Advanced Materials）
基于理论计算，课题组搭建了如图2a所示的实验平台，并制备了具有U形电极结构的探测器件以收集径向电流（图1b），器件制备用到的TaIrTe4薄片的典型厚度在100到200
nm之间。令高斯基模光束通过为4 μm波长光设计的螺旋相位板（SPP）获得LG光束,不同的SPP能够产生不同的OAM阶数，随后通过40×反射物镜将光束聚焦于半径为16 μm的环上。实验中令涡旋光的中心位于U形电极的中心，环形OAM光束位于U形电极的内外电极之间，U形电极能够收集180度角范围内的径向电流（图2b）。为了分离出与光的OAM相关的光电流响应，在线偏器后放置一四分之一波片（QWP），以连续调节涡旋光束的偏振。课题组测量了在2.5
mW恒定激励功率下，不同OAM阶数下的光电流响应（图2c）。在不同OAM阶数的测量中，环的半径始终保持不变。实验结果表明，正、负OAM光束都会产生与圆偏振相关的光电流，且测量得到的CPGE效应（傅里叶变化下的180度分量，由OAM(m)和SAM(σ)的共同作用项和SAM的单独作用项组成）随OAM阶数大小的增加单调增加，并且会随OAM阶数的变号而变号。
图 2. TaIrTe4器件OPGE电流的U形电极测量（来源：Advanced Materials）
随后通过对上面的数据进行进一步处理，课题组给出了CPGE效应与OAM阶数之间的关系（图3a）。CPGE大小随OAM阶数m呈阶梯型变化，证明了CPGE效应是由OAM和SAM的共同作用项主导的，而SAM的单独作用项对于CPGE效应的贡献是很微弱的。同时，课题组提取了各向异性分量（JL，为傅里叶变换下的90度分量）和偏振无关分量（J0）（图3b）。实验结果表明，JL和J0与光的OAM响应无关。对于以上这些结论，课题组在另一个带有U形电极的设备上进行了重复测量，同时也制作了具有Ω形和星形电极的器件进行了重复测量，均得到了类似的结果。基于这些实验的结果，课题组证明了通过4 μm波段CPGE随OAM阶数具有量子化的现象，可以清楚地区分OAM阶，这为OAM的直接测量提供了一种可能的手段。
图 3. OPGE电流及其对OAM依赖性的证据（来源：Advanced Materials）
课题组还进行了光环半径依赖和光环空间位置依赖的光电响应测量。在前面的实验中，课题组已经证明了当光环位于U形电极的内外电极之间时，CPGE电流是由OPGE主导的，而对于光环半径与电极不匹配，或者光环中心与电极中心不重合的情况，这一结论就不再成立了。课题组在OAM阶数相反（m=±4）的情况下测量了五种光环大小下的光电响应（图4a-f），并计算出了相应的CPGE大小（图4f）与OPGE成分（图4g）。实验结果表明当光环半径与U形电极不匹配时，实验中能观察到与光的OAM无关的CPGE效应，课题组分析这种效应可能来自于SAM单独作用项（如s-PGE）或者来自高阶效应（如EDC-CPGE），这些效应不会因OAM阶数正负号的变化而变化，这与实验中观测到的现象是一致的。
图 4. 在OAM阶数为±4的LG光束下使用U形电极获得的光斑尺寸相关测量
（来源：Advanced Materials）
对于光环空间位置依赖的光电响应测量，课题组固定光环半径（约16 μm），令光环中心偏离电极中心向x或y方向移动（图5a），测量相应的光电响应（图5b），并计算得到OPGE光电流（图5c-d）。实验结果证明，当光束中心沿x或y方向离开中心时，OPGE电流的大小逐渐减小。课题组分析认为，这是因为U形电极对光电流的流向有很好的限制，测量得到的OPGE大小与光束中心和电极形成的立体角成正比。该实验结果与光电流沿径向流动而非沿晶轴确定的方向流动一致，进一步证明了U形电极收集光电流的有效性。
图 5. 使用U形电极获得的激发位置相关的OPGE测量
（来源：Advanced Materials）
综上，课题组基于拓扑半金属的光电探测的最新进展，通过设计一种具有特殊形状的光电探测器，观察到了CPGE大小随OAM阶数的量子化现象，为中红外波长下OAM的直接检测提供了可能。该研究同时也支持片上集成检测，并为未来实现OAM中红外敏感焦平面阵列提供了可能。近日，该研究成果以“基于第二类外尔半金属TaIrTe4的中红外光轨道角动量直接检测”（Direct
Light Orbital Angular Momentum Detection in Mid-Infrared Based on
Type-II Weyl Semimetal TaIrTe4）为题在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。赖佳伟为第一作者，孙栋为通信作者。合作者包括中山大学余鹏教授、南洋理工大学刘政教授、西安交通大学张沛教授、南京大学施毅教授和长春光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员。上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金及中国博士后创新人才支持计划等支持。 
