近日，中國科學院上海技術物理研究所副研究員王林與研究員陳效雙、陸衛研究團隊，聯合東華大學、意大利拉奎拉大學，通過精確操控第二類狄拉克費米子態誘導布洛赫自旋電子單向散射，實現高頻信號傳遞，相關研究成果以High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions（DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w）為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

微電子芯片類似于一個“足球場”，如果把電子比喻成足球，信息交換主要依賴于電子點對點的快速傳輸、存儲與處理，但電子受到阻礙會產生功耗、熱耗散等。隨著信息技術發展，預計6G智能應用場景所需的高數據速率將進入太比特每秒（Tbps）的水平。喜歡看足球的人知道，“香蕉球”能夠一邊飛行一邊自轉，巧妙繞過人墻，以刁鉆角度入網。如果能夠改變電子的直線傳輸方式，借助于類似“香蕉球”的電子自旋地傳遞，那么，電子傳輸有可能繞過障礙物實現電子能量轉化，將在低功耗和高能效水平下展現出更多的信息存儲、更快的信息交互和處理。

研究人員通過自旋極化角分辨光電子能譜（spin-ARPES）實驗給出電子在自旋（s）、能量（E）、動量（k）三個維度詳細信息，在NiTe₂材料表面觀察到自旋態電子的分布。當交變的電磁波作用在這些自旋的電子后，受電磁力的作用自旋電子會產生的周期性振蕩，形成手性Bloch電子態。這些電子好比于運動場上“高速旋轉的球”，當兩個運動方向相反且自旋方向也相反的電子遇到晶格散射場力作用時，每個自旋電子均會出現類似“香蕉球”一樣地反射并朝著同一個方向發生偏轉，即在宏觀上產生橫向方向上的直流電。即使在高于太赫茲（1THz=10¹²Hz）的頻率下，依然顯示出高達251 mA W^-1的室溫太赫茲靈敏特性，實現寬波段工作、較高的動態范圍和高分辨太赫茲成像通訊功能。這種自旋電子的“香蕉球”運動改變了傳統的點對點信息傳遞方式，通過光場同時操縱電子自旋和電荷來進行超高速率和極低功耗的信息處理，為探索新型太赫茲光電物理和高靈敏度應用提供新思路。

上海技物所和東華大學聯合培養的博士研究生張力波為論文的第一作者，王林、陳效雙與意大利拉奎拉大學教授Antonio Politano、東華大學教授邢懷中為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然基金委員會、上海市科學技術委員會及“啟明星”人才計劃等的支持。

天線集成高頻太赫茲整流器示意圖