近期，beat365官方网站量子材料科學中心的孫棟長聘副教授與合作者首次實驗實現了光緻能斯特效應的太赫茲發射，并驗證了拓撲半金屬材料在太赫茲源和超快光熱電等領域的巨大應用潛力。2022年3月25日，相關研究成果以“利用太赫茲發射揭示狄拉克半金屬砷化镉中的超快光熱電效應”（Ultrafast photothermoelectric effect in Dirac semimetallic Cd₃As₂ revealed by terahertz emission）為題在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

光熱電效應普遍存在于拓撲半金屬材料中，是拓撲半金屬領域中極具應用潛力的研究方向。拓撲半金屬材料一般具有皮秒量級的熱載流子弛豫時間，在受到飛秒激光激發時，在光緻溫度梯度的驅動下能夠産生超快光熱電流，并以之為源向外輻射太赫茲波。在近年來的一些研究中，已經觀察到了由超快光熱電效應産生的太赫茲發射，因此，有望利用光熱電效應，開發基于拓撲半金屬的超快太赫茲源。

在熱電效應中，塞貝克效應通常要強于能斯特效應；然而一般的光緻塞貝克效應，由于光生電子和空穴對的熱擴散方向相同，光熱電流彼此抵消，所發射的太赫茲波強度較低，難以滿足應用需求；在磁場作用下，光生電子和空穴對将反向運動而使光熱電流疊加增強，故所對應的能斯特熱電效應能夠做為一種光生載流子的有效分離機制。因此，利用光緻能斯特效應，有望在拓撲半金屬中實現高效的太赫茲發射。然而，目前關于能斯特電流增強效應的研究主要集中在熱電輸運等穩态測量上，而拓撲半金屬光緻激發态下的熱電效應的研究尚待發展。

近期，beat365官方网站量子材料科學中心的孫棟長聘副教授與天津大學精密儀器與光電子工程學院蘆偉助理教授（原beat365官方网站量子材料科學中心博士後）、劉晶副教授課題組，複旦大學物理系修發賢教授課題組，清華大學物理系周樹雲教授課題組等合作，對拓撲狄拉克半金屬Cd₃As₂的光熱電超快太赫茲發射效應進行了研究。聯合研究團隊在實驗中不僅觀測到了由常規的垂直于樣品面的塞貝克光電流所引起的超快太赫茲信号，還觀測到了由Cd₃As₂薄膜厚度梯度引入的面内方向塞貝克光電流引起的太赫茲信号；更重要的是，實驗中通過施加面内方向磁場引入能斯特效應，實現了由光緻能斯特效應産生的太赫茲發射。相比光緻塞貝克效應，利用光緻能斯特效應，在磁場僅有0.4 T時就能夠使發射的太赫茲電場強度實現一個量級以上的反常增強，從而使Cd₃As₂納米薄膜的太赫茲發射效率可以與亞毫米厚度的傳統半導體太赫茲源相比；此外，光緻能斯特效應的太赫茲電場強度正比于磁場強度，偏振方向與磁場垂直，可以通過磁場方便地調制太赫茲發射強度和偏振方向，并且受益于半金屬材料的零帶隙特性，Cd₃As₂的太赫茲發射還具有寬譜激發的優勢。該研究工作首次實驗實現了光緻能斯特效應的太赫茲發射，并驗證了拓撲半金屬材料在太赫茲源和超快光熱電等領域的巨大應用潛力。

圖a-b：光緻塞貝克和能斯特效應的示意圖；圖c-d：比較Cd₃As₂納米薄膜（光緻能斯特效應）與半導體太赫茲源0.5 mm-ZnTe（光整流效應）和 0.5 mm-InSb（光丹倍效應）的太赫茲發射

2022年3月25日，相關研究成果以“利用太赫茲發射揭示狄拉克半金屬砷化镉中的超快光熱電效應”（Ultrafast photothermoelectric effect in Dirac semimetallic Cd₃As₂ revealed by terahertz emission）為題在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。蘆偉為第一作者，孫棟為通信作者。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金及中國博士後創新人才支持計劃等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29168-w