主要从事基于新型量子材料的光电探测的物理学基础研究，包括宽谱光电探测的物理机理和微纳光电子器件，研究材料体系包括二维材料、拓扑材料、手性材料等，涉及的其他研究领域包括PL/Raman光谱、非线性光学、超快光谱学、磁光光谱、THz技术等，具有很强的前沿性和交叉性，应用前景广阔。主要工作如下：

一、基于新型拓扑量子材料的高性能光电探测的实验研究

  在实验上系统地论证了拓扑半金属材料体系与其他半金属材料一样具有光电探测方面的主要性能优势：宽谱响应；在此基础之上，通过进一步引入外尔半金属中的拓扑效应，应用于光电探测，解决该领域的技术壁垒一：无偏置运行条件下的有效电荷分离机制的问题。具体工作包括：【Adv. Mater. 2018】【ACS Nano 2018】【2D Materials. 2020】等。

  外尔半金属是一种拓扑半金属材料，具有破缺的时间反演对称性或空间反演对称性，它们在能量-动量空间中形成锥状结构。研究发现，基于拓扑半金属材料的光电探测器具有宽光谱响应、偏振分辨、超快响应和中红外响应增强等特性。其中，半金属的零带隙结构使其有可能吸收各种能量的激发光子，并因此具有宽光谱响应能力；拓扑半金属还对激发光偏振敏感，其线偏振分辨的根源来自于晶格的各向异性，拓扑半金属材料中有很多显著的对线偏振敏感的光电响应机制，也会产生具有显著各向异性的光电流响应；拓扑半金属材料中电子轨道自旋锁定，例如外尔锥的手性，使得半金属材料中的电子在跃迁过程中，易于同光子的自旋角动量相互作用，形成独特的选择定则，产生圆偏振分辨的光电流；此外，这些光电流响应可以通过外尔半金属的外尔点附近的巨大贝里曲率来实现增强，当掺杂水平与跃迁波长匹配时，外尔半金属的这种拓扑增强响应提供了一种在中红外下电荷分离的有效方法。

二、基于拓扑材料的光的轨道角动量的直接光电探测

  基于新型拓扑量子材料第二类外尔半金属TaIrTe₄，利用其在中红外波段所具有的拓扑增强效应增强光电流响应，通过特别设计的电极形状收集OAM敏感的光电流成分，实现了在中红外波段对光的轨道角动量的直接探测能力【Adv. Mater. 2022，封里文章】。

光子的角动量除了与偏振状态相关的自旋角动量（SAM）外，还可以携带轨道角动量（OAM）。OAM光束，例如常见的拉盖尔-高斯（LG）光束，其光场具有空间分布的相位，这表现为LG光束具有角向的相位依赖性，因此具有螺旋形的波前；同时，光束中心存在一个相位奇点，因此中心光强度为零，光强度分布为环形。OAM光束在涡旋光镊、光扳手、量子光学以及光学和量子通信等诸多领域有着广泛的应用，在这些应用中，OAM的探测技术是不可或缺的技术基础。传统的OAM探测技术通常基于纯光学手段，难以实现小型化和集成化，而OAM的直接电读出是实现片上集成和对OAM敏感的焦平面成像阵列这样的系统级集成的前提和基础。

基于新型量子材料，特别设计合适的电极形状，制备探测器原型器件，用于通过轨道光电效应直接探测OAM。理论上研究新型量子材料的二阶非线性响应，在微扰理论框架下得到电流响应系数张量，由此分析响应系数张量和晶体结构对称性之间的联系，探索轨道光电响应与材料物理特性、光场偏振态的内在关联；开展轨道角动量光电流谱表征，研究入射光的OAM阶数与器件输出的相互关系，分辨入射光的OAM阶数。最终实现不同阶数的OAM光束的直接光电识别。