近日，深圳大學物理與光電工程學院王健教授團隊在綜合期刊《Nature Communications》（影響因子16.6，中科院一區(qū)TOP期刊）發(fā)表了題為Quantifying the photocurrent fluctuation in quantum materials by shot noise [Nat. Commun. 15, 2012 (2024)]的研究成果，從理論上提出光電流散粒噪聲可以用于探測中心對稱量子材料的量子幾何性質(zhì)。
體光伏效應(yīng)在光電器件設(shè)計和太陽能轉(zhuǎn)換方面具有重要的作用。體光伏效應(yīng)起源于位移光電流(shift photocurrent)和注入光電流(injection photocurrent)等內(nèi)稟二階非線性光電流響應(yīng)。最新研究表明，這些二階非線性光電流還可用于探測量子材料中的拓撲和量子幾何性質(zhì)。例如，實驗研究證實二階非線性注入光電流可以測量拓撲外爾半金屬中外爾點的拓撲電荷。但是其作為一種二階非線性響應(yīng)，二階非線性光電流只能存在于中心反演對稱破缺的量子材料中。此外，實驗上觀測到的光電流只是光電流算符的統(tǒng)計平均值。除統(tǒng)計平均值以外，光電流的量子漲落也攜帶了重要的信息，但是目前尚無關(guān)于光電流的量子漲落理論。
王健教授等利用非線性響應(yīng)理論，發(fā)展了絕緣體中二階直流散粒噪聲的量子理論，將二階光電流算符分成非對角和對角兩部分，分別得到了位移和注入兩種直流散粒噪聲。通過對稱性分析，發(fā)現(xiàn)兩種二階直流散粒噪聲不受空間反演對稱性限制，可以出現(xiàn)在中心對稱的量子材料中。本文研究發(fā)現(xiàn)，二階直流散粒噪聲和量子材料的量子幾何張量(包括貝里曲率和量子度規(guī))密切相關(guān)。最后，本文將發(fā)展的散粒噪聲理論和第一性原理計算相結(jié)合，預測了二維材料GeS和MoS2中的二階直流散粒噪聲。計算結(jié)果顯示，GeS的中心對稱相(mmm)中二階直流散粒噪聲強于其非中心對稱相(mm2)，如圖1所示。
此項研究工作表明，光電流的量子漲落以及二階光電流本身，可以作為互補的工具來表征量子材料的能帶幾何特性。本文提出的絕緣體散粒噪聲理論，與團隊在2023年1月發(fā)表的熱霍爾噪聲理論[Phys. Rev. Lett. 130, 036202 (2023)]，共同建立了基于量子幾何張量語言的量子噪聲理論框架。
圖1 GeS中的二階直流散粒噪聲
王健教授團隊的向龍俊博士后是論文的第一作者，王健教授為通訊作者，金浩副教授參與了研究工作，深圳大學為第一單位和通訊單位。研究工作得到了國家自然科學重點項目的支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46264-1。
王健教授團隊于2024年在《Physical Review B》發(fā)表的霍爾效應(yīng)理論和量子自旋輸運方面的研究工作還包括：
（1）理論預言了外爾半金屬材料中存在內(nèi)稟的平面內(nèi)磁致霍爾效應(yīng)，討論了塞曼效應(yīng)對這種霍爾效應(yīng)的影響，并提出了實驗驗證的思路。向龍俊博士后為第一作者，王健教授為通訊作者。論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.075419
（2）理論預言了量子度規(guī)導致的一階位移電流霍爾效應(yīng)，該效應(yīng)是不破壞時間反演對稱性的一階內(nèi)稟霍爾效應(yīng)，與貝里曲率導致的、破壞時間反演對稱性的一階霍爾效應(yīng)對應(yīng)，完善了布洛赫電子的線性響應(yīng)理論。向龍俊博士后為第一作者，王斌教授和王健教授為共同通訊作者。論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.115121
（3）利用全計數(shù)統(tǒng)計結(jié)合相干勢近似方法研究了無序?qū)饘?鐵磁絕緣體復合結(jié)構(gòu)中自旋輸運特性的影響，并討論了交錯磁體中很強的各向異性跳躍能對自旋輸運的抑制效應(yīng)。李高陽博士后為第一作者，王健教授為通訊作者。論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.125403
（來源 深圳大學物理與光電工程學院）
