上海技物所科研人员利用“香蕉球”效应实现太赫兹高频信号传递

       近日，上海技物所王林、陈效双、陆卫研究团队和东华大学、意大利拉奎拉大学相关团队共同合作，通过精确操控第二类狄拉克费米子态诱导布洛赫自旋电子单向散射，实现高频信号传递，相关成果以“High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions”（DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w）为题发表于《自然-通讯》（Nature Communications）杂志。

　　微电子芯片类似于一个“足球场”，如果把电子比喻成足球，信息交换主要依赖于电子点对点的快速传输、存储与处理，但是电子受到阻碍会产生功耗、热耗散等。随着信息技术发展，预计6G智能应用场景所需的高数据速率将进入太比特每秒（Tbps）的水平。喜欢看足球的人都知道，“香蕉球”能够一边飞行一边自转，巧妙绕过人墙，以刁钻角度入网。如果能够改变电子的直线传输方式，借助于类似“香蕉球”的电子自旋地传递，那么电子传输有可能绕过障碍物实现电子能量转化，将在低功耗和高能效水平下展现出更多的信息存储、更快的信息交互和处理。 

　　研究人员通过自旋极化角分辨光电子能谱(spin-ARPES)实验给出电子在自旋(s)、能量(E)、动量(k)三个维度详细信息，在NiTe₂材料表面观察到自旋态电子的分布。当交变的电磁波作用在这些自旋的电子后，受电磁力的作用自旋电子会产生的周期性振荡，形成手性Bloch电子态。这些电子好比于运动场上 “高速旋转的球”，当两个运动方向相反且自旋方向也相反的电子遇到晶格散射场力作用时，每个自旋电子都会出现类似“香蕉球”一样地反射并朝着同一个方向发生偏转，即在宏观上产生横向方向上的直流电。即使在高于太赫兹 (1THz=10¹²Hz) 的频率下，依然显示出高达251 mA W^-1的室温太赫兹灵敏特性，实现宽波段工作、较高的动态范围和高分辨太赫兹成像通讯功能。这种自旋电子的“香蕉球”运动改变了传统的点对点信息传递方式，通过光场同时操纵电子自旋和电荷来进行超高速率和极低功耗的信息处理，为探索新型太赫兹光电物理和高灵敏度应用提供新思路。

　　博士研究生张力波为该论文的第一作者，上海技物所王林启明星研究员、陈效双研究员、意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授和东华大学邢怀中教授为该论文的共同通讯作者。该工作同时得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、上海市科委以及启明星研究员计划等的大力支持。