近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院王健教授團(tuán)隊(duì)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(cè)中心對(duì)稱(chēng)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(jì)和太陽(yáng)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(cè)量子材料中的拓?fù)浜土孔訋缀涡再|(zhì)。例如，實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)二階非線性注入光電流可以測(cè)量拓?fù)渫鉅柊虢饘僦型鉅桙c(diǎn)的拓?fù)潆姾?。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(duì)稱(chēng)破缺的量子材料中。此外，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的光電流只是光電流算符的統(tǒng)計(jì)平均值。除統(tǒng)計(jì)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(wú)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(duì)角和對(duì)角兩部分，分別得到了位移和注入兩種直流散粒噪聲。通過(guò)對(duì)稱(chēng)性分析，發(fā)現(xiàn)兩種二階直流散粒噪聲不受空間反演對(duì)稱(chēng)性限制，可以出現(xiàn)在中心對(duì)稱(chēng)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(jì)算相結(jié)合，預(yù)測(cè)了二維材料GeS和MoS2中的二階直流散粒噪聲。計(jì)算結(jié)果顯示，GeS的中心對(duì)稱(chēng)相(mmm)中二階直流散粒噪聲強(qiáng)于其非中心對(duì)稱(chēng)相(mm2)，如圖1所示。
此項(xiàng)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(bǔ)的工具來(lái)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(tuán)隊(duì)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(yǔ)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(tuán)隊(duì)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(xué)為第一單位和通訊單位。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46264-1。
王健教授團(tuán)隊(duì)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(yùn)方面的研究工作還包括：
（1）理論預(yù)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(duì)這種霍爾效應(yīng)的影響，并提出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yù)言了量子度規(guī)導(dǎo)致的一階位移電流霍爾效應(yīng)，該效應(yīng)是不破壞時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的一階內(nèi)稟霍爾效應(yīng)，與貝里曲率導(dǎo)致的、破壞時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的一階霍爾效應(yīng)對(duì)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(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合相干勢(shì)近似方法研究了無(wú)序?qū)饘?鐵磁絕緣體復(fù)合結(jié)構(gòu)中自旋輸運(yùn)特性的影響，并討論了交錯(cuò)磁體中很強(qiáng)的各向異性跳躍能對(duì)自旋輸運(yùn)的抑制效應(yīng)。李高陽(yáng)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(lái)源 深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院）
