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QUICK REVIEW

[論文レビュー] Direct observation of Floquet-Bloch states in monolayer graphene

Dong-Seong Choi, Masataka Mogi|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2024
Graphene research and applications被引用数 6
ひとこと要約

本論文は、単層グラフェンにおける Floquet-Bloch 状態のエネルギー-運動量解像観測を、time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) を用いて直接報告し、偏光依存性が Floquet–Volkov カップリングを明らかにする replica バンドを示している。

ABSTRACT

Floquet engineering is a novel method of manipulating quantum phases of matter via periodic driving [1, 2]. It has successfully been utilized in different platforms ranging from photonic systems [3] to optical lattice of ultracold atoms [4, 5]. In solids, light can be used as the periodic drive via coherent light-matter interaction. This leads to hybridization of Bloch electrons with photons resulting in replica bands known as Floquet-Bloch states. After the direct observation of Floquet-Bloch states in a topological insulator [6], their manifestations have been seen in a number of other experiments [7-14]. By engineering the electronic band structure using Floquet-Bloch states, various exotic phase transitions have been predicted [15-22] to occur. To realize these phases, it is necessary to better understand the nature of Floquet-Bloch states in different materials. However, direct energy and momentum resolved observation of these states is still limited to only few material systems [6, 10, 14, 23, 24]. Here, we report direct observation of Floquet-Bloch states in monolayer epitaxial graphene which was the first proposed material platform [15] for Floquet engineering. By using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) with mid-infrared (mid-IR) pump excitation, we detected replicas of the Dirac cone. Pump polarization dependence of these replica bands unequivocally shows that they originate from the scattering between Floquet-Bloch states and photon-dressed free-electron-like photoemission final states, called Volkov states. Beyond graphene, our method can potentially be used to directly observe Floquet-Bloch states in other systems paving the way for Floquet engineering in a wide range of quantum materials.

研究の動機と目的

  • 固体中の量子相を操作するルートとして Floquet 工学を動機づけ、特にグラフェンにおいてそうする。
  • 単層グラフェンにおける Floquet-Bloch 状態のエネルギー-運動量解像観測を直接実証する。
  • ポンプの偏光依存性を通じて Floquet-Bloch の寄与と Volkov 最終状態効果を区別する。
  • 偏光回転下での replica-band の進化を解釈するための単純な解析モデルを開発・適用する。

提案手法

  • ミッドインファレッドポンプ（246 meV）と26.4 eVプローブを用いた time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) でグラフェンの replica ディラックコーンを観測する。
  • ポンプ偏光を回転させてk空間で replica バンドの進化を追跡するように ARPES スペクトルを記録する。
  • 実験的な偏光依存の replica-band の進化を、Floquet–Volkov カップリング、のみ Volkov 状態、のみ Floquet 状態という三つのシナリオに基づくシミュレーションと比較する。
  • replica 強度 P1 が |M|^2 |γ|^2 に比例する散乱行列形式を用い、γ は Floquet および Volkov 相互作用パラメータ（α, β）をコード化する。
  • ポンプ入射角と面内ベクトルポテンシャルを取り入れて γ とそれに起因する replica-band のダイナミクスをモデル化する（γ の方程式と関連項）。
  • 前の研究に触発された解析モデルを用いて Floquet-Bloch の寄与と Volkov 効果を区別する。
Figure 1: Generation of a replica band in graphene via 5 um pump excitation. a , Conceptual schematic of pump-probe experiments on graphene and the generation of replica bands. The red circle corresponds to the measurement window of our experiments. b , Illustration of the scattering between Floquet
Figure 1: Generation of a replica band in graphene via 5 um pump excitation. a , Conceptual schematic of pump-probe experiments on graphene and the generation of replica bands. The red circle corresponds to the measurement window of our experiments. b , Illustration of the scattering between Floquet

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1中赤外励起を伴う trARPES を用いて単層グラフェンで Floquet-Bloch 状態を直接観測できるか。
  • RQ2観測された replica バンドは Floquet-Bloch 状態、Volkov 状態、またはそれらの結合に起因するか（ポンプ偏光依存性によって示される）？
  • RQ3ポンプの偏光は replica バンドの進化にどう影響し、Floquet–Volkov 相互作用について何を意味するのか。

主な発見

  • 中間赤外励起後、グラフェンに replica ディラックコーンのレプリカが現れ、フォトンでドレスアップされた状態を示唆している。
  • ポンプ偏光回転による replica バンドの進化は Volkov 状態だけでは説明できず、Floquet–Volkov 散乱と整合する。
  • Floquet-Bloch と Volkov 結合モデルは、偏光依存の弧の回転と二つの弧の共存とを再現し、実験的傾向と一致する。
  • 純粋な Floquet または純粋な Volkov のシナリオでは、偏光角度全体にわたる replica バンドの進化を捉えきれない。
  • 本結果はグラフェンにおける Floquet-Bloch 状態の直接的証拠を提供し、Floquet 工学を他の材料へ拡張する枠組みを提示する。
Figure 2: Evolution of photoemission intensity at constant energy as a function of pump polarization angle $\theta_{p}$ . a , ARPES spectra showing k x – k y cuts at $E$ – $E_{F}$ = 0.219 eV (averaged by $\pm$ 0.025 eV). The displayed $\theta_{p}$ range is divided into three segments: range I, middl
Figure 2: Evolution of photoemission intensity at constant energy as a function of pump polarization angle $\theta_{p}$ . a , ARPES spectra showing k x – k y cuts at $E$ – $E_{F}$ = 0.219 eV (averaged by $\pm$ 0.025 eV). The displayed $\theta_{p}$ range is divided into three segments: range I, middl

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。