[論文レビュー] Instantaneous Photon Drag Currents in Topological Insulators

Yoshito Onishi, Zhi Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒レーザーパルスが三次元トポロジカル絶縁体Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3の表面状態に即時の光子ドラッグ電流を誘発することを、偏光および角度に依存するテラヘルツ放射分光法によって実証した。観測されたテラヘルツ放射における三重回転対称性は、コherentでスピン極化されたディラックフェルミオンがこれらの電流を生成する役割を果たしていることを確認し、トポロジカル表面状態における超高速コherentなキャリアダイナミクスの直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

Topological insulator materials have been extensively studied in the field of condensed matter physics because nontrivial topology in the electronic state gives rise to a novel spin-polarized Dirac dispersion on the surface. To describe the electrodynamics of topological insulators, it is crucial to understand coherent and incoherent dynamics of carriers both in bulk and surface states. We applied terahertz emission spectroscopy to an intrinsic three-dimensional topological insulator material, $Bi_{1.5} Sb_{0.5} Te_{1.7} Se_{1.3}$, to elucidate ultrafast photo-induced carrier dynamics. The emitted terahertz electric field strongly depended on the polarization and incident angle of the excitation pulse. A three-fold rotational symmetry was clearly confirmed in the dependence of terahertz emissions on the azimuthal angle. The origin of terahertz emissions should be instantaneous photon drag currents induced by the excitation of femtosecond pulses.

研究の動機と目的

• 内在的三次元トポロジカル絶縁体における超高速光誘起キャリアダイナミクスを調査すること。
• フェムト秒レーザー励起後のトポロジカル絶縁体におけるテラヘルツ放射の起源を特定すること。
• 観測されたテラヘルツ放射がコherentな还是キャリアダイナミクスに起因するかを同定すること。
• 表面状態およびその対称性が超高速電流生成を媒介する役割を調べること。
• テラヘルツ放射の偏光および入射角依存性と、その背後にあるトポロジカル表面状態応答との直接的関連を確立すること。

提案手法

• フェムト秒レーザーパルスによる励起後に発生するBi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3からのテラヘルツ放射の電場を測定するために、テラヘルツ放射分光法が用いられた。
• 発生したテラヘルツ電場の角度依存性を調査するために、励起パルスの偏光および入射角を体系的に変化させた。
• テラヘルツ放射の方位角依存性に三重回転対称性が測定され、解析された。
• 実験データは、光学パルスのベクトルポテンシャルによって駆動される即時の光子ドラッグ電流の観点から解釈された。
• ディラック表面状態ハミルトニアンに基づく理論的モデリングが、観測された対称性および偏光依存性を説明するために用いられた。
• バルク光起電流や熱的効果の寄与は除外され、コherentな表面状態ダイナミクスに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー励起後のトポロジカル絶縁体で観測されたテラヘルツ放射の起源は何か？
• RQ2 ポンプパルスの偏光および入射角が、トポロジカル絶縁体における発生テラヘルツ電場にどのように影響するか？
• RQ3 観測されたテラヘルツ放射の角度依存性は、表面状態バンド構造の対称性を反映しているか？
• RQ4 即時の光子ドラッグ電流が、トポロジカル絶縁体におけるテラヘルツ放射の主因と特定できるか？
• RQ5 外部電場が存在しない状況下で、表面ディラックフェルミオンはどれほどコherentで超高速な電流生成に寄与しているか？

主な発見

• テラヘルツ放射は、入射レーザーパルスの方位角に依存する明確な三重回転対称性を示し、表面状態の結晶対称性に関連する方向性応答を示した。
• 発生テラヘルツ電場の振幅および偏光は、入射レーザーの偏光および角度に強く依存しており、コherentキャリアダイナミクスの役割を確認した。
• 観測された角度依存性は、バルク光起電流や熱的効果では説明できず、従来のメカニズムを除外した。
• データは、フェムト秒パルスのベクトルポテンシャルによって駆動される即時の光子ドラッグ電流と整合しており、表面のスピン極化ディラックフェルミオンに直接結合している。
• 結果は、外部場が存在しない状況下で、光子ドラッグによって誘発される超高速かつコherentな電流生成が、直接的な実験的証拠をもって裏付けられた。
• 発生テラヘルツ信号にスペクトルの幅ひずみや位相シフトが観測されなかったことから、電流応答の即時性が支持された。