[논문 리뷰] Giant inverse Faraday effect in Dirac semimetals

Masashi Kawaguchi, Hana Hirose외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비소 기반 디락 반도체에서 원자력에 의한 거대한 역파라데이 효과(Impact Faraday Effect, IFE)를 입증한다. 여기서 원형 편광 빛은 전통적인 금속보다 수개의 주기 크기로 더 큰 효과적인 자기장 유도를 유도한다. 이 효과는 강한 스핀-오비트 결합을 가진 디락 페르미온에서 작은 전자 효과 질량과 큰 g 인자 조합으로 발생하며, 이는 효율적인 빛-스핀 결합을 가능하게 하고, 편광에 의존하는 광전류(Helicity-Dependent Photocurrent, HDP)를 통해 감지 가능한 스핀 전류를 생성한다. 이 HDP는 디락 점에서 최대에 도달한다.

ABSTRACT

We have studied helicity dependent photocurrent (HDP) in Bi-based Dirac semimetal thin films. HDP increases with film thickness before it saturates, changes its sign when the majority carrier type is changed from electrons to holes and takes a sharp peak when the Fermi level lies near the charge neutrality point. These results suggest that irradiation of circularly polarized light to Dirac semimetals induces an effective magnetic field that aligns the carrier spin along the light spin angular momentum and generates a spin current along the film normal. The effective magnetic field is estimated to be orders of magnitude larger than that caused by the inverse Faraday effect (IFE) in typical transition metals. We consider the small effective mass and the large $g$-factor, characteristics of Dirac semimetals with strong spin orbit coupling, are responsible for the giant IFE, opening pathways to develop systems with strong light-spin coupling.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비트 결합을 가진 디락 반도체에서 빛에 의해 유도된 스핀 전류를 조사하기 위해.
• 비소 기반 박막에서 전통적인 금속에 비해 강화된 역파라데이 효과(IFE)의 기원을 규명하기 위해.
• 편광에 의존하는 광전류(HDP)와 효과적인 자기장 및 운반자 유형(전자/정공) 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 디락 점과 패피 수준의 위치가 IFE 반응을 최대화하는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.
• 재료의 물리적 매개변수(효과 질량, g 인자)와 유도된 효과적인 자기장 크기 간의 관계를 설정하기 위해.

제안 방법

• 405 nm 파장의 원형 편광 빛을 사용하여 비소 기반 디락 반도체 박막에서 헬리오세트 광전류(HDP) 측정을 수행하였다. 빛의 강도와 편광 수를 변화시켜 측정하였다.
• 실험 장치는 편광 수를 제어하기 위해 1/4 파장판을 사용하였으며, 입사각은 약 45°로 고정하고, 애자이멀 각도를 변화시켜 다양한 편광 상태를 측정하였다.
• HDP는 역스핀홀 효과(ISHE)와 효과적인 자기장 항 h_eff g_eff 를 포함한 이론 모델에 적합시켰다.
• 이론적 계산에서는 주로 운반자에 대해 일정한 스핀홀 전도도(σ_SH)를 가정하고, 소수성 운반자에 대해서는 운반자 농도에 비례하여 스케일링하였다. g_eff 와 h_eff 는 운반자 농도의 함수로 모델링되었다.
• h_eff g_eff 의 피크는 디락 점에 적합되었으며, 너비 Δ 은 디락 점과 패피 수준 간의 에너지 차이와 일치시켰다.
• 빛 강도 및 파장 의존성을 분석하여 HDP 의 강도와 파워 및 파장에 따른 스케일링을 평가하였으며, 내재된 반응을 분리하기 위해 정규화를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 편광 빛에 의해 디락 반도체에서 유도된 효과적인 자기장의 크기는 얼마이며, 전통적인 금속과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 편광에 의존하는 광전류(HDP)는 박막 두께, 운반자 유형, 패피 수준 위치에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 디락 페르미온의 작은 효과 질량과 큰 g 인자가 역파라데이 효과를 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 HDP 는 전하 중성점에서 날카로운 피크를 보이며, 이는 스핀 텍스처와 빛-스핀 결합에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 이 물질에서 IFE 의 강도는 빛의 파장과 강도에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 편광에 의존하는 광전류(HDP)는 박막 두께가 증가함에 따라 증가하며 약 70 nm 에서趋于 정체되며, 이는 스핀 전류의 부피 기여를 시사한다.
• 주로 전자가 정공으로 전환될 때 HDP 가 부호를 바꾸며, 이는 전류의 스핀-편광 성격을 확인한다.
• 패피 수준이 전하 중성점 근처에 있을 때 HDP 에 날카로운 피크가 나타나며, 이는 디락 점과 일치한다.
• 효과적인 자기장 h_eff 는 디락 반도체에서 큰 g_eff 와 작은 효과 질량 덕분에 일반적인 전이 금속보다 1~2 온도 크기로 더 크다고 추정된다.
• 이론적 모델링은 h_eff g_eff 가 디락 점에서 피크를 이루며, 너비 Δ 이 디락 점과 패피 수준 간의 에너지 차이와 일치함을 보여준다.
• 정규화된 HDP(C/P) 는 빛의 파장이 증가할수록 증가하며, 이는 더 긴 파장에서의 잠재적 증폭 가능성을 시사하지만, 실험 범위 내에서 제한된다.