[논문 리뷰] Intrinsic Fermi Surface Contribution to the Circular Photogalvanic Effect

Lingyuan Gao, Zachariah Addison외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 12.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원자적으로 청결한, 시간역행 대칭을 가지는 금속에서 원형 편광 빛에 의한 비선형 광전류 효과에 대한 내재된 피에르 표면 기여를 규명한다. 이 기여는 피에르 표면에서의 공명 전자 전이에 기인하며, 원형 편광 빛에 의해 유도된다. 편향성 와일 밴드 반도체에서 이 효과는 저에너지에서 주파수의 선형성을 보이며, 와일 노드 전하에 의해 위상적으로 양자화되며, 최근 발견된 양자화된 광전류 효과와 크기적으로 유사하다.

ABSTRACT

We study the Fermi surface contribution to the nonlinear DC photocurrent at quadratic order in a spatially uniform optical field in the ultra-clean limit. In addition to injection and ballistic currents, we find that circularly-polarized light incident on a time-reversal invariant metallic system generates an intrinsic contribution to the bulk photogalvanic effect deriving from photoinduced electronic transitions on the Fermi surface. In velocity gauge, this contribution originates in both the coherent band off-diagonal and diagonal parts of the density matrix, describing respectively, the coherent wave function evolution and the carrier dynamics of an excited population. We derive a formula for the intrinsic Fermi surface contribution for a chiral Weyl semimetal. At low frequency, this response is proportional to the frequency of the driving field, with its sign determined by the topological charge of the Weyl nodes and with its magnitude being comparable to the recently discovered quantized circular photogalvanic effect.

연구 동기 및 목표

• 초청결 금속 시스템에서 피에르 표면에서 기인하는 기존에 고려되지 않은 내재된 광전류 효과 기여를 규명하고 특성화하는 것.
• 이 피에르 표면 전류를 생성하는 데 있어 밀도 행렬의 공명된 밴드 비대칭 및 대각 성분의 역할을 명확히 하는 것.
• 원형 편광 빛에 노출된 편향성 와일 반도체에서 내재된 피에르 표면 기여에 대한 정량적 공식을 유도하는 것.
• 저주파수 영역에서 이 광전류 응답의 주파수 의존성과 위상학적 기원을 규명하는 것.
• 최근 발견된 양자화된 원형 광전류 효과와 비교하여 이 내재된 피에르 표면 전류의 크기를 평가하는 것.

제안 방법

• 원형 편광 빛과 금속 시스템 내 전자 간의 상호작용을 서술하기 위해 속도 게이지 형식을 사용하는 것.
• 밀도 행렬을 공명된 파동함수 진동(비대칭) 및 실체적 입자 밀도 동역학(대각) 기여로 분해하는 것.
• 비선형 직류 광전류를 광장에 대해 제곱형으로 계산하기 위해 선형 반응 형식을 적용하는 것.
• 내재된 산란 기여를 분리하기 위해 초청결 근사에 집중하는 것.
• 편향성 와일 반도체 모델에서 광전류에 대한 해석적 표현을 유도하는 것.
• 저주파수 근사에서 분석하여 주파수 선형 의존성과 위상학적 특징을 추출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간역행 대칭을 가지는 금속에서 원형 광전류 효과에 대한 내재된 피에르 표면 기여의 기원은 무엇인가?
• RQ2 밀도 행렬의 공명된 밴드 비대칭 및 대각 항은 광전류에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 편향성 와일 반도체에서 내재된 피에르 표면 전류의 주파수 의존성은 무엇인가?
• RQ4 이 전류의 부호와 크기는 와일 노드의 위상학적 전하와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 이 내재된 피에르 표면 전류의 크기는 최근 발견된 양자화된 원형 광전류 효과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 초청결, 시간역행 대칭을 가지는 금속에서 피에르 표면에서 기인하는 원형 광전류 효과에 대한 내재된 기여가 존재한다. 이 기여는 원형 편광 빛에 의해 유도된 피에르 표면에서의 공명 전자 전이에 기인한다.
• 이 기여는 속도 게이지 형식에서 밀도 행렬의 비대칭(공명 진동) 및 대각(입자 밀도 동역학) 항 모두에서 기인한다.
• 편향성 와일 반도체에서 저주파수 응답은 자극장 주파수의 선형 함수로 나타난다.
• 광전류의 부호는 와일 노드의 위상학적 전하에 의해 결정된다.
• 이 내재된 피에르 표면 전류의 크기는 최근 발견된 양자화된 원형 광전류 효과와 유사하다.
• 응답은 순수하게 내재적이며 초청결 근사에서도 유지되며, 이는 위상학적으로 보호된 기원을 시사한다.