我校研究团队在太赫兹高频信号传递领域取得新进展

近日，东华大学邢怀中研究团队和中国科学院上海技术物理研究所、意大利拉奎拉大学相关研究团队共同合作，通过精确操控第二类狄拉克费米子态诱导布洛赫自旋电子单向散射，实现高频信号传递，相关成果以 High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions （DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）杂志。

喜欢看足球的人都知道，香蕉球在空中一边飞行一边自转，能巧妙地绕过人墙，让守门员来不及反应，以刁钻的角度入网。这是因为高速旋转的足球在运动过程中，上/下半侧受到的压力不同而使其偏离常规的落体运动，这个现象就是经典的马格努斯（Magnus）效应。

微电子芯片也类似于一个“足球场”的运动，如果把电子比喻成一个球，信息交换主要依赖于电子点对点的快速传输、存储与处理，但是电子也经常性地会受到阻碍产生功耗、热耗散等。随着信息技术后5G-6G通讯(B5G-6G)时代的到来，电子元器件越来越逼近其物理极限（摩尔定律的天花板），当前最先进的处理器制程已经达到3nm，相当于几十个原子（一个原子0.3埃, 1埃=10-10纳米）的排列，通讯器件也朝着更高的太赫兹频率方向发展，预计6G智能应用场景所需的高数据速率将进入太比特每秒（Tbps）的水平。可以想象，要达到如此高速的信息传递，电子所需要的行程则更短，然而当器件沟道达到纳米以下的原子级的时候，受电子量子波动性的影响，通过尺寸微缩会面临着原理性的困难，如功耗指数上升、效率指数下降等。因此，如果能够改变电子的直线传输方式，借助于类似“香蕉球”的电子自旋地传递，那么在半导体集成的微电子学技术中，电子传输有可能绕过障碍物实现电子能量转化，将在低功耗和高能效水平下展现出更多的信息存储、更快的信息交互和处理。

研究人员通过自旋极化角分辨光电子能谱(spin-ARPES)实验给出了电子在自旋(s)、能量(E)、动量(k)三个维度详细信息，在NiTe2的表面观察到这种自旋态的分布。当交变的电磁波作用在这些自旋的电子后，这些受电磁力的作用自旋电子会产生周期性振荡，形成手性Bloch电子态。这些电子好比于运动场上 “高速旋转的球”，当两个运动方向相反且自旋方向也相反的电子遇到晶格散射场力的作用的时候，每个自旋电子都会出现类似“香蕉球”一样地反射并朝着同一个方向发生偏转，即在宏观上产生横向方向上的直流电。即使在高于太赫兹 (1THz=1012Hz) 的频率下，依然显示出高达251 mA W-1的室温太赫兹灵敏特性，实现宽波段工作、较高的动态范围和高分辨太赫兹成像通讯功能。这种自旋电子的“香蕉球”运动改变了传统的点对点的方式传递信息，通过光场同时操纵电子自旋和电荷来进行超高速率和极低功耗的信息处理，为探索太赫兹光子学和光电子学领域的新基础物理学和高灵敏度应用提供新的思路。

东华大学博士生张力波为该论文的第一作者，邢怀中教授和中国科学院上海技术物理研究所王林启明星研究员、陈效双研究员，意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授为该论文的共同通讯作者。该工作同时得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、上海市科委以及启明星研究员计划、上海IV-类器件高峰学科等的大力支持。

（天线集成高频整流器示意图）