[논문 리뷰] Semiclassical theory of the photogalvanic effect in non-centrosymmetric systems

Eric Deyo, L. E. Golub외 2명|ArXiv.org|2009. 04. 13.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 2인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 비중심대칭 물질에서 광갈바닉 효과의 양자역학적 이론을 개발하며, 운동방정식에서 베리 기울기와 사이드점프 기여가 교류 전기장의 제곱에 비례하는 일정 전류를 생성함을 보여준다. 핵심 결과는 원형 광갈바닉 효과(CPGE)가 유일하게 이러한 기하학적 및 이동 관련 항목에서 기인하며, 선형 광갈바닉 효과(LPGE)와 비선형 I-V 특성은 기울기 산산산란에 의해 지배된다는 것이다.

ABSTRACT

We develop a semiclassical theory of nonlinear transport and the photogalvanic effect in non-centrosymmetric media. We show that terms in semiclassical kinetic equations for electron motion which are associated with the Berry curvature and side jumps give rise to a dc current quadratic in the amplitude of the ac electric field. We demonstrate that the circular photogalvanic effect is governed by these terms in contrast to the linear photogalvanic effect and nonlinear I-V characteristics which are governed mainly by the skew scattering mechanism. In addition, the Berry curvature contribution to the magnetic-field induced photogalvanic effect is calculated.

연구 동기 및 목표

• 비중심대칭 물질에서 비선형 운반체 이론을 위한 양자역학적 프레임워크를 개발하는 것.
• 기울기 산산산란을 초월한 광갈바닉 효과의 미세한 기원을 규명하는 것.
• 일정 전류 생성에 있어 기하학적 위상(베리 기울기)과 좌표 이동(사이드점프)의 역할을 명확히 하는 것.
• 기울기 산산산란, 베리 기울기, 이동 메커니즘의 기여를 선형 및 원형 광갈바닉 효과에서 구분하는 것.
• 비중심대칭 시스템에서 광갈바닉 반응의 자기장 의존성을 분석하는 것.

제안 방법

• 산산산란 사건 동안 운동량과 좌표 이동을 포함한 일반화된 양자역학적 보른 방정식을 수립한다.
• 파동함수의 기하학적 위상에 의해 베리 기울기의 기여를 전자 속도에 통합한다.
• 충돌 적분 보정을 포함한 운동방정식을 사용하여 교류 전기장의 제곱 함수로서 전류 반응을 유도한다.
• 복소 전기장 곱을 사용하여 전류를 대칭화된(선형 광갈바닉) 및 반대칭화된(원형 광갈바닉) 부분으로 분해한다.
• 기울기 산산산란, 베리 기울기, 사이드점프의 기여를 분리하기 위해 응답 텐서 χλμν 및 γλμ를 평가한다.
• 효율 질량, 갭 에너지, 산산산란 비대칭성 등의 물성값을 사용하여 다양한 기여의 상대 크기를 분석적으로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중심대칭 시스템에서 교류 전기장에 대한 일정 전류 생성에 있어 베리 기울기와 사이드점프 항목의 역할은 무엇인가?
• RQ2 왜 기울기 산산산란 메커니즘이 원형 광갈바닉 효과(CPGE)에 기여하지 않지만 기하학적 항목은 기여하는가?
• RQ3 선형 및 원형 광갈바닉 효과에서 기울기 산산산란, 베리 기울기, 이동 메커니즘의 기여는 양적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ4 광갈바닉 전류의 자기장 의존성은 무엇이며, 기하학적 및 산산산란 메커니즘에 의해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 양자역학적 이동 또는 비탄성 기여를 고려하지 않고도 양자역학적 접근법이 CPGE를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 원형 광갈바닉 효과(CPGE)는 양자역학적 운동방정식에서 베리 기울기와 사이드점프 항목에 의해 유일하게 결정되며, γB ∼ A e m* Im(σω) 및 γsh ∼ η e m* Im(σω)로 표현된다.
• 기울기 산산산란 메커니즘은 선형 광갈바닉 효과(LPGE)와 비선형 I-V 특성에 기여하지만 CPGE에는 영향을 주지 않으며, 즉 γsk = 0이다.
• 유사한 비대칭 파ameter를 가질 경우, 기울기 산산산란 기여는 χsk ∼ ξimp_sk Re(σω) el / ε̄ 로 표현되며, 베리 기울기 및 이동 기여보다 지배적이다.
• 베리 기울기 및 이동 메커니즘의 LPGE 기여는 χB,χsh ∼ ξpiro Re(σω) e a0 / Eg 로 표현되며, 여기서 ξpiro는 무차원 비대칭 파ameter이다.
• 정적 근사(limit, ω → 0)에서 γB 및 γsh 는 기대한 바와 같이 0이 되며, 이는 CPGE의 주파수 의존성임을 확인한다.
• 응답 텐서 χ 및 γ 의 자기장 의존성은 βL 및 βC 텐서를 통해 선형 항을 포함하며, 이는 비중심대칭 시스템에서만 비영일 수 있다.