[논문 리뷰] Calculations of two-color interband optical injection and control of carrier population, spin, current, and spin current in bulk semiconductors

Ravi Bhat, J. E. Sipe|arXiv (Cornell University)|2006. 01. 13.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비섭동적인 14밴드 k·p 모델을 제시하여 불균형한 양자 블렌드 반도체에서 실체적 인터밴드 광학 주입 및 캐리어 농도, 스핀, 전류, 스핀 전류를 제어한다. 이 모델은 전류 및 스핀 전류 제어가 허용된 한광자 및 허용-금지된 이중광자 전이 간의 간섭에서 기인하는 반면, 농도 및 스핀 제어는 허용된 한광자 및 허용-허용된 이중광자 전이 간의 간섭에서 기인하며, InSb, GaSb, InP, GaAs, ZnSe에서 정량적 예측을 제공한다.

ABSTRACT

Quantum interference between one- and two-photon absorption pathways allows coherent control of interband transitions in unbiased bulk semiconductors; carrier population, carrier spin polarization, photocurrent injection, and spin current injection can all be controlled. We calculate injection spectra for these effects using a 14x14 k.p Hamiltonian including remote band effects for five bulk semiconductors of zinc-blende symmetry: InSb, GaSb, InP, GaAs, and ZnSe. Microscopic expressions for spin-current injection and spin control accounting for spin split bands are presented. We also present analytical expressions for the injection spectra derived in the parabolic-band approximation and compare these with the calculation nonperturbative in k.

연구 동기 및 목표

• 이중색 광학 자극을 사용하여 편향이 없는 부스러지지 않은 반도체에서 캐리어 동역학의 비섭동적이고 미세한 모델을 개발한다.
• 편평한 밴드 근사와 아비시노 방법의 한계를 극복하기 위해 원거리 밴드 효과를 포함한 14밴드 k·p 해밀토니안을 사용한다.
• 편평한 밴드 근사에서 유도된 해석적 표현과 전체 수치 계산을 비교하여 주입 스펙트럼에 대해 분석한다.
• 일차 및 이차 광자 경로 간의 간섭이 농도, 스핀, 전류, 스핀 전류 제어에 미치는 미세한 기원을 규명한다.
• 특히 밴드 비편평성과 스핀-오비트 결합의 역할을 포함하여, 서로 다른 물리적 관측량을 지배하는 별개의 양자 간섭 메커니즘을 규명한다.

제안 방법

• ZnSb 반도체(InSb, GaSb, InP, GaAs, ZnSe)의 상호밴드 전이를 모델링하기 위해 원거리 밴드 효과를 포함한 14×14 k·p 해밀토니안을 사용한다.
• 비편평성과 왜곡된 밴드 영역에서 속도 행렬 요소 v_n,m(k)를 기반으로 광전류 및 스핀 전류 주입에 대한 미세한 표현을 유도한다.
• 스핀-오비트 결합과 상호밴드 결합을 섭동적으로 처리하여 스핀 분리 및 비편평성 효과를 포함한다.
• 편평한 밴드 근사(PBA)에서 유도된 해석적 결과와 전체 수치적 해를 비교하여 타당성과 주요 차이점을 평가한다.
• 일차 및 이차 광자 흡수 경로의 주입 스펙트럼을 계산하며, 캐리어 농도 및 스핀 균형 제어를 지배하는 간섭 항목에 초점을 맞춘다.
• 비선형 광학 반응의 대리로 두 번째 순서의 감도 χ^(2)abc(−2ω;ω,ω)의 허수부를 사용하여 광전류 및 스핀 전류와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일차 및 이차 광자 흡수 경로 간의 양자 간섭 효과는 편향이 없는 부스러지지 않은 반도체에서 캐리어 농도 및 스핀 제어를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ2 밴드 비편평성과 스핀-오비트 결합은 전류 주입과 농도 및 스핀 제어의 메커니즘을 어떻게 구분하는가?
• RQ3 이중색 광학 주입에서 편평한 밴드 근사의 해석적 예측과 비섭동적인 14밴드 k·p 계산 간의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ4 왜 농도 및 스핀 제어는 허용-허용된 이중광자 전이 간의 간섭이 필요로 하는 반면, 전류 및 스핀 전류 제어는 허용-금지된 전이에 의존하는가?
• RQ5 InSb, GaSb, InP, GaAs, ZnSe에서 이중색 자극 조건 하에서 주입 효율성과 스펙트럼 반응의 정량적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 14밴드 k·p 모델은 전류 및 스핀 전류 주입이 허용된 한광자 전이와 허용-금지된 이중광자 전이 간의 간섭에 의해 지배됨을 드러낸다.
• 반대로, 농도 및 스핀 제어는 허용된 한광자 전이와 허용-허용된 이중광자 전이 간의 간섭에서 기인하며, 이는 편평한 밴드 근사에서 포착되지 않는다.
• 편평한 밴드 근사(PBA)는 비편평성과 스핀 분리 효과를 반영할 수 없기 때문에 농도 및 스핀 제어를 기술하지 못한다.
• PBA에서 유도된 해석적 표현은 허용-허용 전이가 지배할 경우 한광자 대 이중광자 흡수 비율 R가 약 1에 가까운 반면, 허용-금지 항목이 지배할 경우 상당히 증가함을 보여준다.
• 모델은 InSb, GaSb, InP, GaAs, ZnSe 간의 주입 스펙트럼에 측정 가능한 차이를 예측하며, InSb는 작은 금속 갭과 큰 스핀-오비트 분리로 인해 가장 강한 반응을 보인다.
• 원거리 밴드와 비편평성의 포함은 특히 스핀 전류 채널에서 8밴드 또는 편평한 모델이 예측하는 것보다 간섭 항목을 크게 향상시킨다.