[論文レビュー] Theory of magnetoelectric photocurrent generated by direct interband transitions in semiconductor quantum well

Hai‐Zhou Lu, Bin Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、線形偏光光による直接遷移駆動下の半導体量子井戸における磁電気効果光電流の理論的枠組みを提案する。密度行列形式を用いて、光励起キャリア密度のk空間における異方性が電場および偏光依存性光電流を説明することを示し、運動エネルギーとゼーマンエネルギーの比を介して、検出不能なゼロ磁場純スピン光電流と測定可能な磁電気効果光電流を定量的に結びつける推定式を導出する。

ABSTRACT

A linearly polarized light normally incident on a semiconductor quantum well with spin-orbit coupling may generate pure spin current via direct interband optical transition. An electric photocurrent can be extracted from the pure spin current when an in-plane magnetic field is applied, which has been recently observed in the InGaAs/InAlAs quantum well [Dai et al., Phys. Rev. Lett. 104, 246601 (2010)]. Here we present a theoretical study of this magnetoelectric photocurrent effect associated with the interband transition. By employing the density matrix formalism, we show that the photoexcited carrier density has an anisotropic distribution in k space, strongly dependent on the orientation of the electron wavevector and the polarization of the light. This anisotropy provides an intuitive picture of the observed dependence of the photocurrent on the magnetic field and the polarization of the light. We also show that the ratio of the pure spin photocurrent to the magnetoelectric photocurrent is approximately equal to the ratio of the kinetic energy to the Zeeman energy, which enables us to estimate the magnitude of the pure spin photocurrent. The photocurrent density calculated with the help of an anisotropic Rashba model and the Kohn-Luttinger model can produce all three terms in the fitting formula for measured current, with comparable order of magnitude, but discrepancies are still present and further investigation is needed.

研究の動機と目的

• 最近観測されたInGaAs/InAlAs量子井戸における磁電気効果光電流の微視的説明を提供すること。
• 光電流の面内磁場および光の偏光依存性の起源を明確化すること。
• 実験的に測定可能な磁電気効果光電流と検出不能なゼロ磁場純スピン光電流との間の定量的関係を確立すること。
• 異方的ラシュバおよびコーン＝ラットナー有効質量ハミルトニアンを用いて理論モデルを検証すること。

提案手法

• 半導体量子井戸における遷移を計算するため、密度行列形式を適用する。
• 価電子帯に異方的ラシュバスピン軌道結合とコーン＝ラットナー模型を組み合わせた最小限の有効ハミルトニアンを用いる。
• 光励起キャリア密度分布をk空間で計算し、光の偏光および電子波数ベクトルの向きに依存する異方性を明らかにする。
• 線形応答理論を用いて、異方的キャリア分布から光電流密度を導出する。
• 実際のパラメータを用いた数値計算を行い、実験的フィッティング式と比較する。
• 運動エネルギー対ゼーマンエネルギー比を用いて、測定可能な磁電気効果光電流からゼロ磁場純スピン光電流を推定する手法を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁電気効果光電流が面内磁場および光の偏光に依存する微視的メカニズムは何か？
• RQ2 直感的な対称性の期待とは反して、磁場が量子井戸平面に平行であっても磁電気効果光電流が維持されるのはなぜか？
• RQ3 ゼロ磁場純スピン光電流の大きさは、実験的に測定可能な磁電気効果光電流からどのように推定できるか？
• RQ4 異方的ラシュバおよびコーン＝ラットナー模型が、実験的光電流データを定量的にどの程度再現できるか？

主な発見

• k空間における光励起キャリアの異方的分布が、電場および偏光依存性光電流の直接的な微視的説明を提供する。
• 純スピン光電流と磁電気効果光電流の比は、運動エネルギー対ゼーマンエネルギーの比とほぼ等しくなるため、検出不能なスピン電流の推定が可能になる。
• 異方的ラシュバおよびコーン＝ラットナー模型を用いた数値計算により、実験的フィッティング式の3項とも同程度の大きさで再現される。
• 計算された光電流密度は実験値と同程度のオーダーであるが、依然として差異が残っている。
• k空間の異方性を介して、磁場が平行でも光電流が観測される非直感的現象を理論的に説明できた。
• 理論的枠組みは、直接測定が困難な系における純スピン光電流の予測ツールとして成功裏に機能する。