近日，重点实验室的王健教授团队在综合期刊《Nature Communications》（影响因子16.6，中科院一区TOP期刊）发表了题为Quantifying the photocurrent fluctuation in quantum materials by shot noise [Nat. Commun. 15, 2012 (2024)]的研究成果，从理论上提出光电流散粒噪声可以用于探测中心对称量子材料的量子几何性质。

体光伏效应在光电器件设计和太阳能转换方面具有重要的作用。体光伏效应起源于位移光电流(shift photocurrent)和注入光电流(injection photocurrent)等内禀二阶非线性光电流响应。最新研究表明，这些二阶非线性光电流还可用于探测量子材料中的拓扑和量子几何性质。例如，实验研究证实二阶非线性注入光电流可以测量拓扑外尔半金属中外尔点的拓扑电荷。但是其作为一种二阶非线性响应，二阶非线性光电流只能存在于中心反演对称破缺的量子材料中。此外，实验上观测到的光电流只是光电流算符的统计平均值。除统计平均值以外，光电流的量子涨落也携带了重要的信息，但是目前尚无关于光电流的量子涨落理论。

王健教授等利用非线性响应理论，发展了绝缘体中二阶直流散粒噪声的量子理论，将二阶光电流算符分成非对角和对角两部分，分别得到了位移和注入两种直流散粒噪声。通过对称性分析，发现两种二阶直流散粒噪声不受空间反演对称性限制，可以出现在中心对称的量子材料中。本文研究发现，二阶直流散粒噪声和量子材料的量子几何张量(包括贝里曲率和量子度规)密切相关。最后，本文将发展的散粒噪声理论和第一性原理计算相结合，预测了二维材料GeS和MoS2中的二阶直流散粒噪声。计算结果显示，GeS的中心对称相(mmm)中二阶直流散粒噪声强于其非中心对称相(mm2)，如图1所示。

此项研究工作表明，光电流的量子涨落以及二阶光电流本身，可以作为互补的工具来表征量子材料的能带几何特性。本文提出的绝缘体散粒噪声理论，与团队在2023年1月发表的热霍尔噪声理论[Phys. Rev. Lett. 130, 036202 (2023)]，共同建立了基于量子几何张量语言的量子噪声理论框架。

图1 GeS中的二阶直流散粒噪声

王健教授团队的向龙俊博士后是论文的第一作者，王健教授为通讯作者，金浩副教授参与了研究工作，深圳大学为第一单位和通讯单位。研究工作得到了国家自然科学重点项目的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46264-1