北理工“拓?fù)浣^緣體中能帶反轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的反常等離激元”研究成果在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表
發(fā)布日期：2018-01-17 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)：
最近，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授課題組（博士研究生張福如、姚裕貴教授）與美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的肖笛教授和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)／香港大學(xué)周建輝博士合作預(yù)言了在本征拓?fù)浣^緣體中能帶反轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的反常等離激元,。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 119, 266804 (2017)],，該工作得到國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助,。
等離激元是凝聚態(tài)物理中最重要的元激發(fā)之一,，十九世紀(jì)五十年代初David Pines和David Bohm首先提出了等離激元的概念，它描述電子液體中普遍存在的由于庫侖相互作用引發(fā)的電子密度的集體振蕩行為。在長波極限下,，等離激元頻率通常正比于費(fèi)米能級(jí)處的載流子的態(tài)密度,，因而等離激元主要存在于金屬、摻雜的半導(dǎo)體和半金屬中,。六十多年來,，科學(xué)家對(duì)等離激元的研究不斷深入和壯大，對(duì)它的研究逐漸發(fā)展成為等離激元光子學(xué)和一系列相關(guān)交叉學(xué)科,，等離激元在生物醫(yī)學(xué)靈敏成像,、光信息通訊、國家安全等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,。
圖1：反轉(zhuǎn)能帶中不同能帶間躍遷過程分解示意圖
圖2：反帶與正帶體系的能帶結(jié)構(gòu),、態(tài)密度和波函數(shù)交疊圖
圖3：不同外場強(qiáng)度下等離激元的色散關(guān)系和相應(yīng)能量損失函數(shù)
圖4：破壞粒子--空穴對(duì)稱性項(xiàng)使得等離激元能譜發(fā)生劈裂，形成雙峰結(jié)構(gòu)（P1 和P2）
圖5：輕度摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜中（化學(xué)勢(shì)μ="0.004eV）等離激元的色散關(guān)系
拓?fù)浣^緣體和拓?fù)浒虢饘偈悄蹜B(tài)物理的前沿研究領(lǐng)域,，理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究方興未艾。近年來拓?fù)浣^緣體及其薄膜中關(guān)于等離激元的理論和實(shí)驗(yàn)研究也如火如荼地開展,，然而這些研究大多集中在電子或者空穴摻雜的拓?fù)浣^緣體,，此時(shí)費(fèi)米能級(jí)處具有非零的態(tài)密度。由于拓?fù)洳牧现谐３４嬖谀軒Х崔D(zhuǎn),，該工作著重研究了本征拓?fù)浣^緣體（費(fèi)米能級(jí)在能隙里,，相應(yīng)的態(tài)密度為零）中能帶反轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的反常等離激元行為。他們發(fā)現(xiàn)具有墨西哥帽子（Mexican-hat）的反轉(zhuǎn)能帶結(jié)構(gòu)中能帶之間的躍遷可以分解為兩個(gè)在正常能帶中不同能帶之間的躍遷和兩個(gè)相同能帶內(nèi)的躍遷過程（圖1）,，在正常能帶中不同能帶之間的躍遷過程相應(yīng)的波函數(shù)的交疊很小,，但是相同能帶內(nèi)的躍遷過程具有很大的波函數(shù)的交疊，使得反轉(zhuǎn)能帶中能帶之間的關(guān)聯(lián)被極大地增強(qiáng),；另一方面,，反轉(zhuǎn)能帶的邊緣是范霍夫奇異點(diǎn)（圖2）。這兩個(gè)要素使得本征拓?fù)浣^緣體可以支持很強(qiáng)的等離激元激發(fā),。通過數(shù)值計(jì)算他們還發(fā)現(xiàn)鉻或釩摻雜(Bi, Sb)2Te3 薄膜中的等離激元頻率為幾毫電子伏到幾十毫電子伏,，并可有效地通過外場調(diào)節(jié)（圖3）。研究還發(fā)現(xiàn)破缺粒子--空穴對(duì)稱性的項(xiàng)會(huì)誘導(dǎo)等離激元能譜的劈裂,，形成雙峰結(jié)構(gòu)（圖4）,。由于等離激元的行為強(qiáng)烈地依賴能帶的拓?fù)湫再|(zhì)，該工作進(jìn)一步還指出等離激元可以作為探測本征或低度摻雜拓?fù)浣^緣體中拓?fù)湎嘧兊挠行Х椒ǎ▓D3或圖5）,。上述研究成果將為拓?fù)洳牧显诘入x激元光子學(xué)中潛在的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo),。
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.119.266804
分享到：