Science Advances报道北大王楠林研究组关于电荷密度波材料室温下超宽光谱光电响应研究进展

近日，北京大学量子材料科学中心王楠林研究组的吴东博士及合作者在二维电荷密度波（CDW）材料1T-TaS2中发现室温下超宽光谱的光电响应现象。他们研究了室温下处在近公度CDW状态的1T-TaS2材料系统，发现当外加偏压（电场）接近CDW滑移的阈值附近时，材料对从可见光到太赫兹宽广能量区间的光辐照变得非常敏感。这一发现为实现非制冷、超宽带（包含太赫兹波段）和灵敏的光电探测研究开辟了一条新的途径。该工作以研究长文（Research Article）形式发表于近期的Science子刊上：Science Advances, aao3057 (2018)。吴东、王楠林是该工作的共同通讯作者。

将光信号转换为电信号的能力在光子学领域极为重要。这种效应在成像、通讯、量子信息以至到空间科学领域都有广泛的应用。但是，基于同一器件的超宽光谱，特别是包含远红外和太赫兹波段的光电探测一直是这一领域的难点。受电子能带结构的限制，传统半导体对小于其能隙能量的光无法直接响应。例如硅基光电探测器，通过单粒子激发穿过带隙（~1.1 eV）来实现光响应，因此对于低于其带隙能量的光谱如远红外和太赫兹是透明的。另一方面，对于普通金属，虽然其带隙为零，但由于存在大量的自由载流子，往往直接屏蔽了可能发生的光激发信号，从而不适合作为光电探测器材料。一般金属和半导体的电子激发属于单粒子激发范畴。

与普通金属和半导体不同，一些特殊物态如超导和电荷密度波不仅有单粒子激发同时还存在集体激发模式。电荷密度波是固体中研究最多的集体凝聚现象之一，物理上具有两种不同的集体激发模式，即振幅模式（Amplitude mode）和相位模式（Phase mode）。振幅激发表现为电荷密度的纵向振动（CDW振幅的变化），类似于光学支声子的激发，不会对电荷输运性质产生直接影响。而相位激发模式对应于CDW整体的平移，对应于电荷的流动。在没有任何缺陷或杂质存在的理想情况，这一平移运动不受阻碍，应具有零电阻特性。在实际材料中，由于杂质、缺陷的自然存在，CDW被钉扎在有限的频率上从而具有有限的电阻。但当施加电场超过相位激发模式的阈值时，电荷密度波材料则会出现显著的非线性电流电压行为，表现为电阻的急剧下降，通常称为CDW的滑移。

1T-TaS2是具有代表性的二维CDW材料。电子关联效应以及电声子相互作用使得这一体系存在丰富的物相结构。随着温度降低，其先后经历从简单金属到非公度-CDW相（相变温度~550K），近公度-CDW相（相变温度~350K），最终进入公度-CDW绝缘相（<183K）。1T-TaS2电学性质对外加电场呈现显著的非线性依赖关系。吴东等研究发现，当外加偏压小于导致电荷密度波滑移的阈值时，如果外加光激发，则会导致电阻态的变化，即提前诱导了phase mode的滑移。与此对应，相当于有一个巨大的光电响应效应，并且在从紫外到太赫兹的宽广能量范围都存在，该效应可用于制造宽广能量区域的光电响应探测器件。

天津理工大学马永昌教授、清华大学赵自然教授研究组和量子材料科学中心危健研究组参与了该项工作的合作研究。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大科学研究计划及“2011计划”量子物质科学协同创新中心的支持。