中国科学院苏州纳米所研究员张凯、项目研究员王俊勇团队提出具有新奇能带特性的窄带隙二维半导体，可为实现发光偏振态动态调控提供全新路径。近期，相关研究成果发表于《自然-通讯》。

偏振态是光子的一个重要的自由度，对其调谐与操纵在光通信、信号加密与量子计算等领域扮演着核心角色。半导体发光二极管的发光偏振态通常由材料固有的晶体对称性和光学跃迁选择定则所固定，难以实现动态、主动的调控。

以具有能带交叉特性的外尔半导体碲为例，其导带底存在一个受拓扑保护的能带交叉点，即外尔节点。这一特性将拓扑能带结构与载流子的辐射复合过程直接耦合，从根本上改变了光与物质的相互作用模式。

通过理论计算表明，外尔节点在导带底处形成了一个“偏振奇点”：在这一点上，发光偏振态对载流子的占据状态极其敏感，任何微小的能量或动量偏移都会导致偏振态的变化，这为实现动态调控提供了物理基础。

基于此独特物性，团队构建了石墨烯/碲/石墨烯范德华异质结中红外电致发光器件。该结构具有较低的寄生电阻，能够在较宽的电流密度范围内高效工作。实验发现，在低电流注入下，载流子主要在布里渊区H点（即外尔节点所在处）附近复合，发射出偏振度接近100%的高度线偏振光。随着注入电流密度的增大，高能“热载流子”效应显著，载流子复合区域在倒空间中从H点向外扩展。

此时，不同动量点对发光偏振的贡献发生变化，导致器件的整体发光偏振度从～100%连续调谐至36%。第一性原理计算进一步证实了偏振可调性源于外尔节点附近的能带填充效应及热载流子主导的跃迁重分布。

该研究首次实验演示了基于“带边外尔节点偏振奇点”的动态可调偏振光源，为探索外尔点附近的光与物质相互作用及中红外拓扑光电子器件开辟了新的技术路径。

窄带隙二维半导体碲的带边外尔节点及其中红外荧光。研究所供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66014-1