[논문 리뷰] Momentum shift current at terahertz frequencies in twisted bilayer graphene

Daniel Kaplan, Tobias Holder외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 외부 전압을 가하지 않고도 일관된 일차전류 또는 개류전압을 생성할 수 있는 평탄한 밴드에서 운동량 공간 이동을 이용하여, 비틀어진 이중층 그래핀(TBG)에서 밀도광전효과(BPVE)를 통해 테라헤르츠(THz) 검출을 제안한다. TBG는 0.2–1 THz 범위에서 뚜렷한 BPVE 반응을 보이며, 기존의 THz 검출기와 비교해 열적 영향에 강인하고 온도에 민감하지 않은 강력한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

The detection of terahertz (THz) radiation promises intriguing applications in biology, telecommunication, and astronomy but remains a challenging task so far. For example, semiconductor infrared detectors (e.g., HgCdTe) utilize photo-excited electrons across the bandgap and hardly reach the far-infrared terahertz regime because they are vulnerable to thermally excited carriers. In this work, we propose the THz sensing by the bulk photovoltaic effect (BPVE) in the twisted bilayer graphene (TBG). The BPVE converts light into a coherent DC at zero bias or an open-circuit voltage. As a quantum response from the wave function's geometry (different from the $p$-$n$ junction), BPVE is more robust against temperature excitation and disorders. We predict that the TBG (bandgap of several meV) exhibits a sizeable BPVE response in a range of 0.2 -- 1 THz. Beyond the ordinary shift current scenario, BPVE in TBG comes from a momentum-space shift of flat bands. Our work provides a pathway to design twisted photonics for resonant terahertz detection.

연구 동기 및 목표

• 기존의 반도체(예: HgCdTe)가 열적 실리콘 진동으로 인해 열린 전자 상태를 갖는 원거리 적외선 영역에서 테라헤르츠 복사 검출의 과제를 해결하기 위해.
• 불순물과 온도에 민감한 p-n 접합 이외의 검출 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 비틀어진 이중층 그래핀의 전자 웨이브함수의 기하학적 위상(geometric phase)을 활용하여 내재적이고 강인한 광전압 반응을 구현하기 위해.
• 평탄한 밴드가 TBG에서 운동량 공간 이동 전류 메커니즘을 가능하게 하여, 테라헤르츠 영역에서 BPVE 반응을 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 공진적 THz 검출 능력을 갖춘 비틀어진 포토닉스 디자인의 길을 제시하기 위해.

제안 방법

• 대칭 보호 평탄한 밴드를 이용한 비틀어진 이중층 그래핀(TBG)에서의 밀도광전효과(BPVE) 이론적 모델링.
• 운동량 공간에서 전자 웨이브함수의 양자 기하학에 기반한 이동 전류 반응 분석.
• 원추형 편광 빛에 대한 비선형 광전류 반응 계산 — 이완합 성분과 베리 기울기(Berry curvature)에서 유도.
• 비틀기 각도에 따른 BPVE 반응 분석 — 몇 meV의 밴드 갭이 있는 평탄한 밴드의 출현에 집중.
• 0.2–1 THz 주파수 범위에서의 직류 광전류 및 개류전압의 수치적 평가.
• 비틀어진 이중층 그래핀의 운동량 공간 이동 메커니즘과 비중앙대칭 물질에서의 전통적 이동 전류 간 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀어진 이중층 그래핀은 테라헤르츠 주파수 영역에서 강력한 밀도광전효과(BPVE)를 지닐 수 있는가?
• RQ2 평탄한 밴드에서의 운동량 공간 이동은 TBG에서의 이동 전류 반응에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 BPVE를 통해 생성된 광전류의 크기와 주파수 의존성은 무엇인가?
• RQ4 온도에 대한 강인성 측면에서 TBG의 BPVE 반응은 기존 반도체 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 TBG에서의 웨이브함수 기하학적 위상은 외부 전압 없이도 공진적 THz 검출을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 비틀어진 이중층 그래핀은 0.2–1 THz 주파수 영역에서 뚜렷한 밀도광전효과(BPVE) 반응을 보인다.
• TBG의 BPVE는 기존의 전통적 이동 전류 메커니즘과는 다름없이 평탄한 밴드에서 운동량 공간 이동에 기인한다.
• 웨이브함수의 베리 기울기에서 기인한 기하학적 기원으로 인해 열적 진동과 결함에 강인하다.
• 외부 전압 없이도 일관된 직류 광전류 또는 개류전압을 생성하여 에너지 효율적인 검출이 가능하다.
• 몇 meV의 밴드 갭이 TBG에 존재하여 원거리 적외선 영역에서 측정 가능한 광전류 반응을 가능하게 한다.
• 이 메커니즘은 공진적 테라헤르츠 검출 능력을 갖춘 비틀기 설계된 포토닉스 장치의 실현 가능 길을 제공한다.