[論文レビュー] Observing light-induced Floquet band gaps in the longitudinal conductivity of graphene

Lukas Broers, Ludwig Mathey|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Graphene research and applications参考文献 30被引用数 36

ひとこと要約

本論文では、円偏光の下でのグラフェンの光学的縦方向導電率を、光誘発Floquetバンドギャップを直接観測するプローブとして使用することを提案する。非平衡電子ダイナミクスを散乱を含むマスター方程式でモデル化することで、著者らは、これらのギャップが導電率に共鳴特徴として現れることを示し、強い駆動場下で電子状態の人口逆転が生じ、負の導電率を引き起こすことを明らかにした。これにより、Floquet-Blochバンドの明確な検出と、光による電子輸送の動的制御が可能になる。

ABSTRACT

We propose optical longitudinal conductivity as a realistic observable to detect light-induced Floquet band gaps in graphene. These gaps manifest as resonant features in the conductivity, when resolved with respect to the probing frequency and the driving field strength. We demonstrate these features via a dissipative master equation approach which gives access to a frequency- and momentum-resolved electron distribution. This distribution follows the light-induced Floquet-Bloch bands, resulting in a natural interpretation as occupations of these bands. Furthermore, we show that there are population inversions of the Floquet-Bloch bands at the band gaps for sufficiently strong driving field strengths. This strongly reduces the conductivity at the corresponding frequencies. Therefore our proposal puts forth not only an unambiguous demonstration of light-induced Floquet-Bloch bands, which advances the field of Floquet engineering in solids, but also points out the control of transport properties via light, that derives from the electron distribution on these bands.

研究の動機と目的

• 固体における光誘発Floquetバンドギャップを明確に検出できる、現実的かつ実験的にアクセス可能な観測量を提供すること。
• まだ決定的輸送シグネチャーが得られていない固体におけるFloquet-Blochバンドの検出の課題に対処すること。
• 光がFloquet-Blochバンドの電子状態の分布を操作することで、電子輸送を動的に制御できることを示すこと。
• 高次光子過程に起因する競合する特徴がある中でも、グラフェンのディラック点バンドギャップを明確に解像できることを特定すること。
• 非平衡マスター方程式の手法を用いて、測定可能な光学的導電率とFloquet-Blochバンドの有効占有状態を結びつけること。

提案手法

• 運動量空間における散乱を含むマスター方程式を用いて、円偏光の下でのグラフェンの非平衡ダイナミクスをモデル化する。
• 各運動量kに対して4準位のヒルベルト空間を用いて電子分布を記述し、2時間相関関数を計算する。
• デコherence（γz = 1 THz）、崩壊（γ− = 2.25 THz）、基板結合（γbg = 2.5 THz）を記述するLindblad作用素を含め、現実的な散乱をモデル化する。
• 生成・消滅演算子の時間平均相関関数を用いて、運動量およびエネルギーに依存する電子分布n(k, ω)を計算する。
• 励起周波数と駆動場強度に応じた光学的縦方向導電率を計算し、共鳴特徴を特定する。
• 導電率の特徴がFloquetゾーン内および間の遷移、およびFloquet-Blochバンドの有効占有状態に関連することを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的縦方向導電率は、グラフェンにおける光誘発Floquetバンドギャップを直接的かつ明確にプローブできるか？
• RQ2 Floquet-Blochバンドの相対的占有状態が光学的導電率にどのように影響するか。また、人口逆転は発生可能か？
• RQ3 どの駆動場強度と測定周波数で負の導電率が現れ、その物理的起源は何か？
• RQ4 高次光子過程に起因する競合する共鳴特徴がある中でも、ディラック点バンドギャップは解像可能か？
• RQ5 共動バンド速度∂Πϵ(k)は、観測された導電率特徴およびバンドギャップ位置とどのように関連するか？

主な発見

• 光学的縦方向導電率は、駆動場強度の関数として解像された場合、光誘発Floquetバンドギャップに対応する明確な共鳴特徴を示す。
• 特に、駆動場強度Ed ≥ 28 MV/mおよび測定周波数ωL ≈ 14 THzの領域では、ディラック点バンドギャップ∆0が明確に可視化される。
• ∆0を除くすべてのバンドギャップは、駆動強度の増加に伴い増加し、ピークに達した後減少し、減少段階では負の光学的導電率が観測される。
• 負の導電率は、強い駆動場下で発生するFloquet-Blochバンドの人口逆転に起因する。これはバンドギャップの減少領域に対応する。
• 共動バンド速度∂Πϵ(k)は、観測された導電率特徴およびバンドギャップ位置と強く定性的に一致しており、有効バンド占有状態に基づく解釈を支持する。
• モデルは、高移動度グラフェン（例：hBN封止）において、提案された実験的パラメータでギャップ特徴を解像可能であり、提案された実験設定が既存の超高速イメージングおよび輸送測定と整合可能であると予測している。