[論文レビュー] Photon helicity driven electric currents in graphene

J. Karch, P. Olbrich+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、円偏光THz放射が、光子のヘリシティに起因して単層グラフェンに定向電流を生成することを示している。2つの異なるメカニズムが同定された：斜入射におけるバルクの円偏光フォトンドラッグ効果と、垂直入射における端縁駆動型フォトガルバニック効果であり、両方のヘリシティ依存および線形偏光依存の光起電流は、試料端縁における対称性の破れによって説明される。

ABSTRACT

We report on the observation of photon helicity driven currents in graphene. The directed net electric current is generated in single layer graphene by circularly polarized terahertz laser radiation at normal as well as at oblique incidence and changes its sign upon reversing the radiation helicity. The phenomenological and microscopic theories of the observed photocurrents are developed. We demonstrate that under oblique incidence the current is caused by the circular photon drag effect in the interior of graphene sheet. By contrast, the effect at normal incidence stems from the sample edges, which reduce the symmetry and result in an asymmetric scattering of carriers driven by the radiation field. Besides a photon helicity dependent current we also observe photocurrents in response to linearly polarized radiation. The microscopic mechanisms governing this effect are discussed.

研究の動機と目的

• 単層グラフェンに円偏光THz放射を照射した際のヘリシティ駆動型光起電流の起源を調査すること。
• 有限サイズのグラフェン試料におけるバルクフォトンドラッグ効果と端縁起因の光起電流を区別すること。
• グラフェンにおけるヘリシティ依存および線形偏光依存の両方の光起電流を説明する微視的理論を構築すること。
• 端縁における対称性の破れが、垂直入射時における光起電流の発生に果たす役割を明確にすること。
• 光励起下におけるグラフェンにおける光起電流生成の現象的および量子力学的記述を提供すること。

提案手法

• 機械的エキスパンションにより得られた単層グラフェンフラックをSiO2/Si基板上に形成し、Pd接触を設け、円偏光THz放射を垂直および斜入射で照射した。
• 光起電流は、放射のヘリシティ（方位角方向の角度φ）および入射角（θ₀）の関数として測定され、室温でデータを収集した。
• バルクフォトンドラッグ効果（入射角に関して奇関数）と端縁フォトガルバニック効果（入射角に関して偶関数）の寄与を分離するために現象的モデルを構築した。
• 電子およびホールの寄与を含む、緩和時間近似を用いたボルツマン方程式に基づく微視的輸送理論を用いて端縁光起電流をモデル化した。
• 理論は速度演算子、電場結合、および放射による分布関数の摂動を組み込み、E₀、v、τ、およびf₀(0)を含む電流式を導出した。
• 導出された電流式（式43）は、φ依存性に関してsin(2φ)およびsin(4φ)に比例する角依存性を予測し、実験データと一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光THz放射下におけるグラフェンのヘリシティ駆動型光起電流を生成する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 理想的なグラフェン格子には逆転対称性があるにもかかわらず、なぜ垂直入射時にも光起電流が持続するのか？
• RQ3 有限サイズのグラフェン試料における光起電流生成に端縁効果がどのように寄与するか？
• RQ4 観測された光起電流の偏光状態（円偏光対線形偏光）依存性の起源は何か？
• RQ5 光起電流の角依存性（φおよびα）は、背後にある対称性の破れメカニズムをどのように反映しているか？

主な発見

• 円偏光THz放射下において、単層グラフェンでヘリシティ駆動型光起電流が垂直および斜入射の両方で観測され、ヘリシティ反転に伴い電流方向が逆転した。
• 斜入射時、電流はバルクの円偏光フォトンドラッグ効果に起因し、フォトンがキャリアに線形運動量および角運動量を伝達する。この電流は入射角に関して奇関数である。
• 垂直入射時、電流は対称性の破れに起因する端縁効果に起因し、電流は入射角に関して偶関数であり、垂直入射で最大値を示す。
• 端縁フォトガルバニック効果は、ヘリシティ依存および線形偏光依存の両方の光起電流を生成し、理論で予測されたように、角依存性がそれぞれ∝ sin(2φ)およびsin(4φ)に一致した。
• 緩和時間近似を用いたボルツマン方程式に基づく理論モデルは、実験データをうまく説明でき、特に端縁の向きに起因するφ依存性の位相シフトも再現した。
• 全端縁光起電流は[2f₀(0) - 1]に比例しており、電子およびホールの両方の寄与が示され、電流の符号はフェルミ準位の位置に依存する。