[논문 리뷰] Photon helicity driven electric currents in graphene

J. Karch, P. Olbrich외 9명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 04.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 5인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 원형 편광된 테라헤르츠 복사가 단일층 그래핀에서 광자 스핀에 의해 유도된 정방향 전류를 생성함을 보여준다. 두 가지 다른 메커니즘이 밝혀졌는데, 기울인 입사에서의 체적 원형 광자 끌개 효과와 수직 입사에서의 가장자리 유도 광갈바닉 효과이며, 양쪽 모두 샘플 가장자리에서의 대칭성 붕괴에 의해 설명되는 스핀 의존성 및 편광 의존성 광전류를 가진다.

ABSTRACT

We report on the observation of photon helicity driven currents in graphene. The directed net electric current is generated in single layer graphene by circularly polarized terahertz laser radiation at normal as well as at oblique incidence and changes its sign upon reversing the radiation helicity. The phenomenological and microscopic theories of the observed photocurrents are developed. We demonstrate that under oblique incidence the current is caused by the circular photon drag effect in the interior of graphene sheet. By contrast, the effect at normal incidence stems from the sample edges, which reduce the symmetry and result in an asymmetric scattering of carriers driven by the radiation field. Besides a photon helicity dependent current we also observe photocurrents in response to linearly polarized radiation. The microscopic mechanisms governing this effect are discussed.

연구 동기 및 목표

• 원형 편광된 테라헤르츠 복사 하에서 단일층 그래핀에서 스핀 유도 광전류의 기원을 조사하기 위해.
• 유한한 크기의 그래핀 샘플에서 체적 광자 끌개 효과와 가장자리 유도 광전류를 구분하기 위해.
• 그래핀에서 스핀 의존성 및 선형 편광 의존성 광전류를 설명하는 미시적 이론을 개발하기 위해.
• 샘플 가장자리에서의 대칭성 붕괴가 수직 입사에서 광전류를 가능하게 하는 역할을 명확히 하기 위해.
• 광학적 자극 하에서 그래핀에서 광전류 생성을 현상학적 및 양자역학적으로 기술하기 위해.

제안 방법

• 기계적 에폭시로 분리된 단일층 그래핀 플레이크를 SiO2/Si 기판에 사용하고, 원형 편광된 테라헤르츠 복사의 수직 및 기울인 입사 조건에서 실험을 수행하였다.
• 광전류는 복사의 스핀(각도 φ)과 입사각(θ₀)에 따라 측정되었으며, 실온에서 데이터를 확보하였다.
• 체적 광자 끌개 효과(입사각에 대해 홀함수)와 가장자리 광갈바닉 효과(입사각에 대해 짝함수)의 기여를 분리하기 위해 현상학적 모델을 개발하였다.
• 전자 및 정공 기여를 포함한 가장자리 광전류를 모델링하기 위해 이완 시간 근사법을 사용한 봐르츠만 방정식 기반의 미시적 운반 이론을 사용하였다.
• 이론은 속도 연산자, 전기장 결합, 복사에 의한 분포 함수 변화를 포함하여, E₀, v, τ, f₀(0)를 포함한 전류 표현식을 도출하였다.
• 유도된 전류 공식(식 43)은 스핀 의존성과 편광 의존성에 대해 각각 ∝ sin(2φ) 및 sin(4φ)의 각도 의존성을 예측하며, 실험 데이터와 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 편광된 테라헤르츠 조사 하에서 그래핀에서 스핀 유도 광전류를 생성하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 이deal 그래핀 격자의 역행 대칭성에도 불구하고, 왜 수직 입사에서 광전류가 유지되는가?
• RQ3 유한한 크기의 그래핀 샘플에서 가장자리 효과는 광전류 생성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 관측된 광전류의 편광 상태(원형 대비 선형)에 대한 의존성의 기원은 무엇인가?
• RQ5 광전류의 각도 의존성(φ 및 α)은 어떻게 기저의 대칭성 붕괴 메커니즘을 반영하는가?

주요 결과

• 원형 편광된 테라헤르츠 복사 하에서 단일층 그래핀에서 수직 및 기울인 입사 조건 모두에서 스핀 유도 광전류가 관측되었으며, 스핀 반전에 따라 전류 방향이 반전됨을 확인하였다.
• 기울인 입사에서 전류는 광자 스핀이 운반자에게 선형 운동량과 각운동량을 모두 전달하는 체적 원형 광자 끌개 효과에 기인하며, 전류는 입사각에 대해 홀함수이다.
• 수직 입사에서 전류는 대칭성 붕괴로 인한 가장자리 효과에 기인하며, 전류는 입사각에 대해 짝함수이며 수직 입사에서 최대가 된다.
• 가장자리 광갈바닉 효과는 스핀 의존성 및 선형 편광 의존성 광전류를 모두 생성하며, 각도 의존성이 이론에서 예측한 바와 같이 ∝ sin(2φ) 및 sin(4φ)로 일치한다.
• 이완 시간 근사법을 사용한 봐르츠만 방정식 기반의 이론 모델은 실험 데이터를 성공적으로 설명하며, 가장자리 방향에 따른 φ 의존성의 위상 이득도 설명한다.
• 총 가장자리 광전류는 [2f₀(0) - 1]에 비례하며, 전자 및 정공 기여가 모두 포함되어 있으며, 전류의 부호는 패밀리 레벨의 위치에 따라 달라진다.