[論文レビュー] Real-Time Detection of Photon Drag Surface Currents in Topological Insulators

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

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、テラヘルツ放射分光法を用いて、Bi₁.₅Sb₀.₅Te₁.₇Se₁.₃というトポロジカル絶縁体において、光子ドラッグ表面電流のリアルタイム検出を実証した。偏光および入射角依存のテラヘルツ放射を分析することで、放射信号に三重回転対称性が存在することが判明し、これがフェムト秒スケールの超高速キャリアダイナミクスにおいて、即時の光子ドラッグ電流が支配的メカニズムであることを確認した。

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

• 真性の三次元トポロジカル絶縁体における超高速キャリアダイナミクスを調査すること。
• フェムト秒光励起後に生じるテラヘルツ放射の起源を特定すること。
• トポロジカル絶縁体におけるテラヘルツ放射の主因が表面電流かバルク効果かを特定すること。
• 励起偏光および入射角に依存するテラヘルツ放射の対称性を調べること。
• 光子ドラッグ電流がトポロジカル表面状態の電磁力学において果たす役割を確立すること。

提案手法

• フェムト秒パルス励起後に発生する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を用いた。
• テラヘルツ放射の角度依存性を調査するため、励起パルスの偏光および入射角を変化させた。
• 放射されたテラヘルツ電場の方位角依存性を分析し、放射パターンに含まれる回転対称性を検出した。
• 観測された三重回転対称性を特徴として、表面由来の電流とバルク寄与を区別した。
• 時間分解テラヘルツ放射と、超高速キャリア加速に起因する即時の光子ドラッグ効果を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒励起後のトポロジカル絶縁体におけるテラヘルツ放射を引き起こす支配的メカニズムは何か？
• RQ2 テラヘルツ放射は励起パルスの偏光および入射角にどのように依存するか？
• RQ3 観測されたテラヘルツ放射の角度依存性は、表面電流応答に内在する対称性を示唆するか？
• RQ4 トポロジカル絶縁体表面状態において、光子ドラッグ電流をリアルタイムで直接検出できるか？
• RQ5 非自明なトポロジーは、フェムト秒スケールの時間でコherentlyな表面電流ダイナミクスを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• テラヘルツ放射は励起パルスの偏光および入射角に強く依存していた。
• 放射されたテラヘルツ電場の方位角依存性に明確な三重回転対称性が観測された。
• 対称性および偏光依存性から、即時の光子ドラッグ電流がテラヘルツ放射の主因であると示唆された。
• 観測された角度依存性は、バルク寄与が放射の主因である可能性を排除した。
• 結果から、トポロジカル絶縁体表面状態における超高速キャリアダイナミクスが、整列した、対称性保護された表面電流を生成することが確認された。