[論文レビュー] Intrinsic Fermi Surface Contribution to the Circular Photogalvanic Effect

Lingyuan Gao, Zachariah Addison+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、円偏光光の下でフェルミ表面でのコherentな電子遷移に起因する、超純粋で時間反転対称性を持つ金属における円偏光効果に内在するフェルミ表面寄与を特定する。キラルなウェイル半金属では、この効果は低エネルギー領域で周波数に比例し、ウェイルノードの電荷によって位相的に量子化されており、最近発見された量子化された光ギャルバニック効果と同等の大きさを示す。

ABSTRACT

We study the Fermi surface contribution to the nonlinear DC photocurrent at quadratic order in a spatially uniform optical field in the ultra-clean limit. In addition to injection and ballistic currents, we find that circularly-polarized light incident on a time-reversal invariant metallic system generates an intrinsic contribution to the bulk photogalvanic effect deriving from photoinduced electronic transitions on the Fermi surface. In velocity gauge, this contribution originates in both the coherent band off-diagonal and diagonal parts of the density matrix, describing respectively, the coherent wave function evolution and the carrier dynamics of an excited population. We derive a formula for the intrinsic Fermi surface contribution for a chiral Weyl semimetal. At low frequency, this response is proportional to the frequency of the driving field, with its sign determined by the topological charge of the Weyl nodes and with its magnitude being comparable to the recently discovered quantized circular photogalvanic effect.

研究の動機と目的

• 超純粋な金属系においてフェルミ表面に起因する、これまで考慮されていなかった内在的寄与が、バルク光ギャルバニック効果に及ぼす影響を特定・特徴づけること。
• 密度行列のコherentなバンド非対角項および対角項が、このフェルミ表面電流を生成する役割を明確にすること。
• 円偏光光の下でキラルなウェイル半金属における内在的フェルミ表面寄与の定量的式を導出すること。
• 低周波数領域におけるこの光ギャルバニック応答の周波数依存性および位相的起源を特定すること。
• この内在的フェルミ表面電流の大きさを、最近発見された量子化された円偏光ギャルバニック効果と比較すること。

提案手法

• 円偏光光と金属系内の電子の相互作用を記述するために速度ゲージ形式を用いる。
• 密度行列を、コherentな波動関数の時間発展（非対角項）とキャリア密度の動的変化（対角項）に分解する。
• 非線形直流光電流を、光学場の2次までの線形応答形式を用いて計算する。
• 散乱を除いた内在的寄与を分離するために、超純粋極限に注目する。
• キラルなウェイル半金属モデルにおける光ギャルバニック電流の解析的表現を導出する。
• 低周波数極限を解析することで、周波数に比例する依存性および位相的特徴を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性を持つ金属において、円偏光ギャルバニック効果に寄与するフェルミ表面寄与の起源は何か？
• RQ2 密度行列のコherentなバンド非対角項および対角項は、光ギャルバニック電流にどのように寄与するか？
• RQ3 キラルなウェイル半金属におけるこのフェルミ表面電流の周波数依存性は何か？
• RQ4 この電流の符号と大きさは、ウェイルノードの位相的電荷とどのように関係するか？
• RQ5 この内在的フェルミ表面電流の大きさは、量子化された円偏光ギャルバニック効果と比べてどうか？

主な発見

• 超純粋で時間反転対称性を持つ金属では、フェルミ表面でのコherentな電子遷移に起因する、円偏光ギャルバニック効果に内在する寄与が存在する。
• この寄与は、速度ゲージ形式における密度行列の非対角（コherentな時間発展）および対角（キャリア密度の動的変化）両方の寄与に起因する。
• キラルなウェイル半金属では、低周波数応答が駆動場周波数に比例する。
• 光ギャルバニック電流の符号は、ウェイルノードの位相的電荷によって決定される。
• この内在的フェルミ表面電流の大きさは、最近発見された量子化された円偏光ギャルバニック効果と同等の大きさである。
• この応答は完全に内在的であり、超純粋極限でも存続するため、位相的に保護された起源であることが示唆される。