[論文レビュー] Calculations of two-color interband optical injection and control of carrier population, spin, current, and spin current in bulk semiconductors

Ravi Bhat, J. E. Sipe|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2006

Semiconductor materials and interfaces参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、バルク亜鉛blende半導体におけるキャリア密度、スピン、電流、スピン電流の2色光励起による非摂動的2次元k·pモデルを提示する。その結果、電流およびスピン電流の制御は、許可された1光子遷移と許可されたが禁止された2光子遷移の干渉に起因するのに対し、キャリア密度およびスピンの制御は、許可された1光子遷移と許可された2光子遷移の干渉に起因することが明らかになった。定量的予測は、InSb、GaSb、InP、GaAs、ZnSeの各材料に対して得られた。

ABSTRACT

Quantum interference between one- and two-photon absorption pathways allows coherent control of interband transitions in unbiased bulk semiconductors; carrier population, carrier spin polarization, photocurrent injection, and spin current injection can all be controlled. We calculate injection spectra for these effects using a 14x14 k.p Hamiltonian including remote band effects for five bulk semiconductors of zinc-blende symmetry: InSb, GaSb, InP, GaAs, and ZnSe. Microscopic expressions for spin-current injection and spin control accounting for spin split bands are presented. We also present analytical expressions for the injection spectra derived in the parabolic-band approximation and compare these with the calculation nonperturbative in k.

研究の動機と目的

• 2色光励起を用いた非摂動的でマイクロスコピックなモデルを構築し、非偏光バルク半導体におけるキャリアダイナミクスのコherent制御を実現すること。
• パラボリックバンド近似やab initio手法の限界を克服するため、遠方バンド効果を含む14バンドk·pハミルトニアンを用いること。
• パラボリックバンド近似における解析的式と、完全な数値計算との比較を通じて、注入スペクトルの解析を行うこと。
• キャリア密度、スピン、電流、スピン電流を制御するための1光子および2光子経路間の干渉のマイクロスコピック起源を確立すること。
• 特にバンドの非パラボリック性およびスピン軌道結合の役割に注目し、異なる物理的観測量を支配する明確に異なる量子干渉メカニズムを同定すること。

提案手法

• 亜鉛blende半導体（InSb、GaSb、InP、GaAs、ZnSe）における帯間遷移をモデル化するため、遠方バンド効果を含む14×14 k·pハミルトニアンを用いる。
• 非パラボリックかつ歪みのあるバンド領域における速度行列要素v_n,m(k)に基づき、光電流およびスピン電流注入のマイクロスコピック式を導出する。
• スピン軌道結合および帯間結合を摂動的に取り扱い、スピン分裂および非パラボリック性効果を含める。
• パラボリックバンド近似（PBA）からの解析的結果と、完全な数値解を比較し、有効性を評価するとともに、主要な相違点を特定する。
• 1光子および2光子吸収経路の注入スペクトルを計算し、キャリア密度およびスピン偏極の制御を支配する干渉項に注目する。
• 2次応答率χ^(2)abc(−2ω;ω,ω)の虚部を非線形光学応答の代理として用い、測定可能な光電流およびスピン電流と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1光子および2光子吸収経路間の量子干渉効果は、非偏光バルク半導体におけるキャリア密度およびスピンの制御をどのように可能にするか？
• RQ2 バンドの非パラボリック性およびスピン軌道結合は、電流注入と密度・スピン制御のメカニズムをどのように区別するか？
• RQ3 パラボリックバンド近似の解析的予測は、2色光励起における非摂動的14バンドk·p計算と比べてどのように異なるか？
• RQ4 なぜキャリア密度およびスピン制御は許可された2光子遷移の干渉を必要とし、一方で電流およびスピン電流制御は許可されたが禁止された遷移に依存するのか？
• RQ5 InSb、GaSb、InP、GaAs、ZnSeの各材料において、2色励起下での注入効率およびスペクトル応答にどのような定量的差が生じるか？

主な発見

• 14バンドk·pモデルは、電流およびスピン電流注入が、許可された1光子遷移と許可されたが禁止された2光子遷移の干渉に支配されていることを明らかにした。
• これに対して、キャリア密度およびスピン制御は、許可された1光子遷移と許可された2光子遷移の干渉に起因しており、これはパラボリックバンド近似では捉えられない差異である。
• パラボリックバンド近似は、非パラボリック性およびスピン分裂効果を考慮できないため、キャリア密度およびスピン制御を正しく記述できない。
• PBAで導出された解析的式によれば、許可された2光子遷移が支配的である場合、1光子対2光子吸収の比Rは約1に近いが、許可されたが禁止された項が支配的になると、Rは顕著に増加する。
• モデルは、InSbが小さいバンドギャップおよび大きなスピン軌道分裂を示すため、他の材料（GaSb、InP、GaAs、ZnSe）と比較して最大の応答を示すと予測した。
• 遠方バンドおよび非パラボリック性を組み込むことで、特にスピン電流チャネルにおいて、8バンドモデルやパラボリックモデルよりも顕著に干渉項が増幅される。