拓扑—让电子与光一起共舞

非线性光学在太阳能、光探测等诸多方面都具有重要应用，因此长期以来一直受到物理学家、化学家、材料学家和工程师们的广泛关注。近年来，一种体光伏效应（Bulk photovoltaic effect）引起了极大的研究兴趣。体光伏效应有着许多重要的潜在应用，比如,它可以将光能转换成电能。与传统太阳能电池所用的pn结相比，体光伏效应不受肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit）的限制，并且能产生高于材料本身能隙的电压，因此可被用于下一代的太阳能电池技术。另一方面，体光伏效应也能应用于光探测，尤其是在红外到太赫兹（THz）波段。

与传统的红外探测器（比如HgCdTe探测器）相比，基于体光伏效应的探测器不需要偏压，困扰许多传统光电探测器的暗电流问题也因此可以得到缓解。为了实现这些应用，必须提高材料的非线性光学响应，使其在低输入下达到人们预期的服役效果。虽然人们已经寻找到了很多新的潜在材料，但一个常见的问题是，能否在理论上给出相对比较通用的方案，并且依照这一方案完成材料设计。

来自麻省理工学院的李巨(Ju Li)教授组在前期论文中就指出，拓扑绝缘材料有着优越的线性光学响应[J. Phys. Chem. Lett., 11, 6119–6126 (2020)]。值得说明的是，在拓扑绝缘材料中，电子态会出现一种不太常见的杂化，它使得这些半导体（或绝缘体）材料的电子结构和普通的硅或者金刚石材料看起来很类似，但实质上具有不同的电子拓扑数。这有一点像普通的纸环和墨比乌斯环一样，粗看起来都是三维空间中的物体，但实际上完全不同。  

物理学家已经指出，这种拓扑绝缘材料中的电子能带结构和普通绝缘体（硅或金刚石）相比多了一次能带反转（就像墨比乌斯环一样）。李巨教授课题组指出，这一反转会让价带和导带的电子波函数有更强的杂化，从而使得电子在价带和导带间的跃迁变得更容易，材料也能因此获得优越的光学响应。  

近期，李巨教授课题组联合MIT孔敬(Jing Kong)教授课题组，将这一思想进一步拓展至非线性光学材料中[npj Computational Materials 7, 31 (2021)]，提出同时拥有：

拓扑型电子能带杂化，

强烈的空间不对称性和

较小能隙的材料，很有可能具有优异的非线性光学性质。

除了拓扑能带杂化之外，强烈的空间不对称性会使得空间中的两个相反的方向（比如向左和向右）变得非常不同，这样电子朝着某一个特定的方向移动的意愿强，而向着反方向移动的意愿弱。这样的话，就能够产生更大的净电流。而能隙小的时候，电子在价带和导带之间的跃迁也会变快。这有点儿像上台阶时，如果台阶比较矮，那么上起来就会比较容易。  

基于上述原理和孔敬教授课题组前期在二维非对称材料（Janus transitionmetal dichalcogenides, JTMDs）中的实验成果，他们通过量子力学第一性原理的方法，预测了一类新型的拓扑1T’相的Janus过渡金属硫化物，发现它们具有巨大的非线性光电导性。  

通过第一性原理计算，他们发现1T’ JTMDs的位移电流电导率可以达到2300 nm·μA·V−2（相当于2800 mA/W），而circular current电导率则能达到104 nm·μA·V−2量级。这比过去常用的非线性材料的光学响应增强了1至2个数量级。也就是说，与之前常见的材料相比，人们可以用更低强度的光照射JTMD材料，在材料中获得更大的光电流。  

由于1T’ JTMDs的能隙很小（10 meV量级，相当于2.5 THz），THz波段的光就可以将电子从价带激发到导带上形成光电流。因此1T’ JTMDs可以用来探测THz波段的光。值得指出的是，通常半导体材料的能隙都在1 eV量级，因此它们只能用到探测可见到紫外波段的光，对远红外到THz波段的光则没有响应。  

该团队进一步发现，利用弹性形变和外加电场这样的外部刺激可以让1T’JTMDs中电子的波函数发生进一步的扭转，从而导致电子态的拓扑相变。在相变前后位移电流的方向会发生反转。这样一个光电流方向的骤变可以用来表征拓扑相变，在光力学、光电子学中也有潜在应用。该研究有助于加深对拓扑材料光电性质的理解，并且为未来寻找更多具有优秀光电性质的材料提供了理论参考。  

该文近期发表于npj Computational Materials 7: 31 (2021)，英文标题与摘要如下。

Colossal switchable photocurrents in topological Janus transition metal dichalcogenides

Haowei Xu, Hua Wang, Jian Zhou, Yunfan Guo, Jing Kong & Ju Li

Nonlinear optical properties, such as bulk photovoltaic effects, possess great potential in energy harvesting, photodetection, rectification, etc. To enable efficient light–current conversion, materials with strong photo-responsivity are highly desirable. In this work, we predict that monolayer Janus transition metal dichalcogenides (JTMDs) in the 1T’ phase possess colossal nonlinear photoconductivity owing to their topological band mixing,

strong inversion symmetry breaking, and small electronic bandgap. 1T’ JTMDs have inverted bandgaps on the order of 10 meV and are exceptionally responsive to light in the terahertz (THz) range. By first-principles calculations, we reveal that 1T′ JTMDs possess shift current (SC) conductivity as large as 2300 nm·μA·V−2, equivalent to a photo-responsivity of 2800 mA/W. The circular current (CC) conductivity of 1T′ JTMDs is as large as ∼104 nm·μA·V−2.

These remarkable photo-responsivities indicate that the 1T’ JTMDs can serve as efficient photodetectors in the THz range. We also find that external stimuli such as the in-plane strain and out-of-plane electric field can induce topological phase transitions in 1T′ JTMDs and that the SC can abruptly flip their directions.

The abrupt change of the nonlinear photocurrent can be used to characterize the topological transition and has potential applications in 2D optomechanics and nonlinear optoelectronics.

编辑：jq