近日，中科院上海技術物理研究所王林、陳效雙和陸衛研究員團隊與意大利拉奎拉大學Antonio Politano教授團隊和南京大學萬賢綱教授團隊合作，提出了C_3V反演結構特征的第二類狄拉克半金屬材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫茲探測結構，揭示由本征對稱性破缺導致的室溫太赫茲頻率電磁轉換現象，并實現了基于該材料的偏振、高性能成像演示功能，相關結果以“Anisotropic ultrasensitive PdTe₂-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection”為題發表于《科學進展》（Science Advances）雜志。

隨著信息時代的快速發展，利用低能光子頻帶（0.1~10THz，terahertz gap）范圍工作的微型器件成為新一代無線通訊、智慧城市及安全體系建設的重要信息載體。傳統光電器件依賴于窄帶隙半導體或能帶工程（金屬、半導體、絕緣體）的發展，在低能光子頻帶存在性能指數下降的趨勢，需要深低溫來抑制噪聲以獲得足夠的靈敏度，面臨著本征極限問題。因此，人們嘗試從微觀原子尺度操控來構造特定的輸運或光電子特性，以期改變傳統依賴于單粒子激發的能帶探測模式帶來的瓶頸。

研究人員將具有原子薄層結構的拓撲半金屬PdTe₂有效集成到天線耦合結構中，PdTe₂具有原子堆疊的拓撲對稱性加上其強自旋-軌道耦合形成的傾斜狄拉克錐，使得該材料具有各項異性半閉合的費米面以及大的THz吸收系數（圖1b）。研究人員還研究發現Cr-PdTe₂界面電荷轉移形成界面態，通過金屬log天線（圖1d, 1e）耦合的共同作用（synergistic effect）對PdTe₂表面電子產生周期性的驅動震蕩（圖1f）。由于空間反演的破壞（如內建電場圖1c)，震蕩的電子在晶格C_3v旋轉勢的作用下產生不可抵消的橫向電流(圖1f所示)和高頻電磁整流效應，可以在寬的電磁頻率范圍內實現高性能探測與成像。

研究人員還通過環形電極耦合的偏振探測實驗，驗證了表面光電流極性分布滿足C_3v非平衡散射及晶格對稱性關聯(圖2a)，實驗獲得了2pW/Hz^0.5的探測靈敏度與快速響應，表明半金屬材料的奇異行為可能在長波光子探測中帶來新變革。

博士生郭程為該論文的第一作者，王林啟明星研究員、陳效雙研究員和Antonio Politano教授為該文章的通訊作者，南京大學萬賢綱教授研究組、胡亦斌研究員給予了相關的理論支持。該研究工作也同時得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、上海市科委計劃項目以及上海技物所啟明星研究員計劃的項目支持。

圖1.a：Type-II狄拉克拓撲半金屬碲化鈀(PdTe₂)的晶體結構；b：費米面的電子-空穴費米包結構；c：內建電場誘導的對稱性破壞；d、e：Log天線集成結構產生周期性局部電子震蕩；f：形成橫向凈電流。

圖2. a：基于環形天線電極探針的材料表面光電流分布滿足C_3v旋轉規律；b：器件在0.14THz和0.3THz下的透射成像效果。