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随着现代科学技术的发展，对材料特性的深入研究已经成为了一项不可或缺的工作。而光电流诊断方法作为一种高灵敏度的材料表征技术，已经成为量子材料研究领域中的重要手段之一。
近日，来自美国波士顿学院、加拿大高等研究院的马琼教授和新加坡南洋理工学院Justin C. W. Song教授共同领导的国际研究团队在Nature Reviews Physics上以Photocurrent as a multiphysics diagnostic of quantum materials为题发表文章，系统介绍了基于光电流的量子材料多物理诊断方法，探讨了其在研究量子材料中的应用和前景。
光电流是指材料受到光照射时，自由载流子在外加电场的作用下运动产生的电流。通过测量这种光电流，可以获得材料的多种性质信息，例如载流子浓度、电子结构、能带结构、自旋极化等。相较于传统的物理诊断方法，光电流具有非常高的灵敏度和分辨率，能够对材料的微观特性进行高精度的测量和分析。因此，基于光电流的量子材料多物理诊断方法已经成为了研究量子材料的热门技术之一。
在量子材料研究中，光电流的应用主要涉及两个方面：一是研究光电物理过程，二是应用光电流诊断技术研究量子材料的特性。在研究光电物理过程方面，光电流被用来研究材料中的电子激发和输运过程，例如载流子的产生、重组、漂移和扩散等。通过测量光电流的波长依赖性、电场依赖性和偏振依赖性等特性，可以分析材料的能带结构、自旋极化、载流子输运和量子效应等物理过程。此外，光电流还被用于研究量子材料中的非线性光学现象，例如光学整流和二阶谐波发生等现象，为探究量子材料的光学特性提供了强有力的手段。
在应用光电流诊断技术研究量子材料的特性方面，研究者通常会利用光电流测量技术来探究量子材料的电子结构、磁性、拓扑性质、晶格振动等特性。其中，光电流作为一种高灵敏度的诊断手段，广泛应用于量子材料的研究中。通过光电流测量，可以探测材料中的电荷、自旋和集体激发等信息，为材料性质的研究提供了重要手段。
一、多物理学诊断
光电流是一种多物理学诊断方法，对材料内部的多种电子过程和性质具有高度的灵敏度。但是，由于光电流对多种电子过程和性质的灵敏度相等，因此在解释和分析光电流时，需要考虑到不同机制和过程的影响。
例如，光电流的机制可以包括量子几何光电流和“外部”光电流，前者由材料的几何形状和电子波函数结构决定，后者则是在p-n结处产生的。在区分不同机制时，需要通过光子偏振、电流方向、激发波长、光斑位置、掺杂依赖和时间动态等参数进行系统研究。
光电流的“招牌”特征包括电流随掺杂密度变化的多次符号变化，以及通过系统的光电流空间图对光电流的起源进行区分等。但是，并不存在一种通用的方法来区分不同的光电流机制，因此需要手动进行诊断并与理论相结合来获取详细的物理信息。
二、构建光电探测器
光电流不仅可以用作诊断工具，还可以作为高度灵敏的偏振计、光电探测器和传感器。由于量子几何光电流对光偏振和远红外和太赫兹频段的灵敏度高，因此已成为新型光电子设计概念的基础。
例如，通过测量圆偏振光诱导的缺口双层石墨烯谷霍尔光电导，可以实现具有抑制暗电流的光电传感器。此外，利用量子几何电荷密度分布对称性，可以提高量子材料在太赫兹频段的灵敏度。基于此原理，新型拓扑材料和准二维材料的研究有望在太赫兹通信、传感和成像领域发挥重要作用。
三、探索相关电子关联效应
除此之外，光电流还被广泛用于研究量子材料的电子关联效应。在这方面，PTE电流被用作探测新型相关体系（如莫尔斯材料）中的绝缘间隙的工具。由于Seebeck系数对电阻态具有高度敏感性，因此可以在不均匀的样品中发挥作用。这与传统的输运探针不同，后者依赖于可以轻松沿高电导区域漏掉的电荷电流。另一个新兴的诊断工具是几何光电流，它可以用于探测对称性破缺和相变，因为其对电子系统的对称性具有高度敏感性。特别是，中红外和远红外光子的能量常常直接匹配相关量子相，例如电荷密度波和Mott缺口，这可以导致显著增加的灵敏度。例如，最近的研究利用光电流作为探测工具，探测到相关半金属TiSe2中独特的旋转电子序（gyrotropic electronic order）。
从动态控制的角度来看，超快光电流本质上是一个光诱导的瞬态电场；这种瞬态电场可以用于在超快时间尺度上控制电子态的对称性。下一代具有纳米尺度分辨率、飞秒时间分辨率和敏感极化控制的光电流技术将成为一种多尺度工具，可以探测各种新型拓扑、几何和相关物理学。
四、材料设计与应用
除了作为多物理诊断工具，光电流在材料设计与应用方面也有着潜在的价值。例如，基于量子几何光电流，可以设计出新型的光电器件。量子几何光电流具有无需定义p-n结即可响应的特点，对光的极化方向有很强的敏感性，适用于远红外和太赫兹区域，成为新型光电器件设计的基础。
同时，光电流也可以作为高灵敏度的极化计、光电探测器和传感器。特别是，中红外和远红外光子的能量刚好与许多量子材料的相变和关联电子系统的能量尺度相当，这使得光电流成为研究这些量子材料性质的理想工具。例如，在TiSe2这种关联半金属中，光电流被用来探测其特殊的旋转电子序态。
此外，利用光电流的瞬态电场特性，也可以在飞秒时间尺度上控制电子态的对称性，从而开发出新型的光电器件。这一方面也表明，基于光电流的多物理诊断方法和材料设计应用的研究方向在未来仍然具有广泛的研究价值和前景。
总结
基于光电流的多物理诊断方法是量子材料研究中的重要工具。光电流可以同时探测材料的电子结构、磁性、输运、热学和光学等性质，是一种高灵敏度、高时空分辨率的诊断手段。通过研究光电流的不同特征，可以区分出不同的光电流机制，并深入理解量子材料中的物理机制和现象。
未来，随着科学技术的不断发展，基于光电流的多物理诊断方法和材料设计应用仍将有着广泛的研究价值和前景。例如，结合超快光学、极化控制和近场空间分辨率等技术，可以开发出下一代的光电流实验技术，用于深入研究复杂量子材料的动力学和量子现象。
同时，利用光电流作为高灵敏度的极化计、光电探测器和传感器，也可以应用于未来的光电器件设计。例如，通过在具有空穴和电子波束的WSe2-黑磷异质结上实现系统光电流空间映射，研究人员能够获得异质结内部的空间分辨率的光电流图像。
这种映射方法不仅为异质结性能提供了重要信息，而且还提供了基于其内部构造的潜在的设计新思路。这些方法将对下一代光电流技术的发展具有重要意义，特别是将其与其他高分辨率技术结合使用。
此外，光电流也可以用作高灵敏度的偏振计、光电探测器和传感器，这些用途将进一步推动其在光电器件中的应用。例如，由于其对光偏振的敏感性和在远红外和太赫兹波段的灵敏度，量子几何光电流已成为新的光电器件设计的基础。通过测量在带隙双层石墨烯中诱导的圆偏振光引起的谷霍尔光电导率，可以获得一个具有抑制暗电流的光电传感器。类似的量子几何量还可以用于太赫兹波段的改进灵敏度，而传统技术往往会在这个波段遇到困难。
未来，基于光电流的多物理诊断方法将继续推动物理学的研究进展，并帮助我们更好地理解和掌握复杂量子材料的性质和现象。同时，这些方法还将促进新型光电器件的设计和应用，为未来的信息技术和能源技术做出重要贡献。
参考文献：
Ma, Q., Krishna Kumar, R., Xu, SY. et al. Photocurrent as a multiphysics diagnostic of quantum materials. Nat Rev Phys 5, 170–184 (2023).
https://doi.org/10.1038/s42254-022-00551-2
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