[論文レビュー] Spin-dependent photogalvanic effects (A Review)

E. L. Ivchenko, Sergey Ganichev|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Photonic Crystals and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本レビューは、非対称半導体におけるねじれ対称性を介して円偏光光がスピン極化電流を生成する仕組みを詳細に述べる、スピン依存光ギャルバニック効果に関する理論的・実験的進展を統合したものである。光ギャルバニック効果測定が、低次元系、特にトポロジカル絶縁体やウェイル半金属を含むスピンダイナミクス、バンド構造、トポロジカル性質を調べる強力な手法であることが確立されている。

ABSTRACT

In this paper we review both theoretical and experimental studies on spin-related photogalvanic effects. A short phenomenological introduction is followed by the discussion of the circular photogalvanic effect, the direct and inverse spin-galvanic effects and the trembling motion of spin-polarized electrons. Then we consider the pure spin currents and magneto-gyrotropic photocurrents. Finally, we discuss the spin-dependent photocurrents in topological insulators and Weyl semimetals.

研究の動機と目的

• 多様な低次元半導体系におけるスピン関連光ギャルバニック効果の理論的・実験的理解を統合すること。
• 光ギャルバニック測定を、スピン依存輸送および光学的性質、特に対称性の特定とトポロジカル不変量の測定に用いるプローブとして確立すること。
• 非対称およびトポロジカル材料におけるスピン極化、電流、外部場の間の相乗的相互作用を解明すること。
• 今後の実験的探求に向けた、非摂動的および時間分解領域における主な課題を特定すること。

提案手法

• 2次および4次ランクテンソル（γ, Q, R, Φ）による極化および軸性ベクトルの結合に基づく、現象論的場理論を用いてスピン光ギャルバニック効果を記述する。
• 群論を用いてテンソル成分を結晶学的点群対称性、特に反転対称性の欠如を特徴とするねじれ対称性クラスに結びつける。
• ヘリシティ依存の光励起を用いて、円偏光ギャルバニック効果（j ∝ P_c γ·n）、スピンギャルバニック効果（j ∝ Q·S）、逆スピンギャルバニック効果（S ∝ R·j）の主要な式を導出する。
• スピンフラックス密度 q_λμ を用いた純粋スピン光ギャルバニック電流を導入し、量子井戸および量子線におけるその対称性制約を分析する。
• 磁場中における磁気ねじれ光ギャルバニック電流（j ∝ Φ·B）を分析し、C2v対称性系において B に線形に依存し、|E|² に比例することを示す。
• 有効ハミルトニアンおよび対称性に基づく選択則を用いて、トポロジカル材料、特にトポロジカル絶縁体の表面状態およびウェイル半金属におけるキラルフェルミオンへの解析を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン依存光ギャルバニック効果は、半導体における光励起と反転対称性の破れの相乗作用によってどのように生じるか？
• RQ2 ねじれ対称性は、非対称系におけるスピン極化と電流の結合を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 光ギャルバニック測定を用いて、低次元ヘテロ構造の点群対称性をどのように特定できるか？
• RQ4 スピン光ギャルバニック応答におけるトポロジカル表面状態およびウェイルフェルミオンの特徴は何か？
• RQ5 強度の高いまたは超短パルスの光励起下で、非摂動的および時間分解現象としてどのような現象が顕在化するか？

主な発見

• 円偏光ギャルバニック効果は、ヘリシティ依存の電流 j ∝ P_c γ·n を生成し、円偏光の向きを反転させると電流が逆転する。これはガリウムヒ素量子井戸で確認された。
• スピンギャルバニック効果は、非平衡スピン極化に比例する電流 j_λ = Q_λμ S_μ を生成し、逆効果により電流によるスピン極化が誘発される。
• 純粋スピン光ギャルバニック電流はスピンフラックス密度 q_λμ で記述され、系の対称性に依存し、量子線では整数量子化される。
• 磁気ねじれ光ギャルバニック電流は磁場に線形に依存し、C2v対称性系において j_x と j_y はそれぞれ S_xx B_x + S_xy B_y および −(S_xx B_y + S_xy B_x) に比例する。
• 光ギャルバニックテンソル成分（γ, Q, R, Φ）は、空間および時間反転対称性によって完全に決定され、実験データから対称性を同定可能である。
• フェムト秒パルスを用いた時間分解測定により、電流のバルブ的、シフト的、スピン的、軌道的寄与を分離でき、キャリアの緩和ダイナミクスを明らかにした。