[논문 리뷰] Spin-dependent photogalvanic effects (A Review)

E. L. Ivchenko, Sergey Ganichev|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 25.

Photonic Crystals and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 비센터대칭 반도체에서 원형 편광 빛이 회전 대칭을 통해 스핀 편향 전류를 생성하는 방식을 다루며, 스핀 의존성 광갈바닉 효과의 이론적 및 실험적 진전을 종합한다. 광전류 측정이 저차원 시스템, 특히 토폴로지적 절연체와 와이울 세미메탈에서 스핀 동역학, 밴드 구조 및 토폴로지적 성질을 탐색하는 강력한 도구로 기능함을 규명한다.

ABSTRACT

In this paper we review both theoretical and experimental studies on spin-related photogalvanic effects. A short phenomenological introduction is followed by the discussion of the circular photogalvanic effect, the direct and inverse spin-galvanic effects and the trembling motion of spin-polarized electrons. Then we consider the pure spin currents and magneto-gyrotropic photocurrents. Finally, we discuss the spin-dependent photocurrents in topological insulators and Weyl semimetals.

연구 동기 및 목표

• 다양한 저차원 반도체 시스템에서 스핀 관련 광갈바닉 효과에 대한 이론적 및 실험적 이해를 통합하는 것.
• 광전류 측정을 스핀 의존성 운반 및 광학적 성질, 특히 대칭 결정 및 토폴로지적 불변량을 규명하는 탐사 도구로 정립하는 것.
• 비센터대칭 및 토폴로지적 물질에서 스핀 편향, 전류 및 외부 필드 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• 미래 실험적 탐구를 위한 비퍼투베이티브 및 시간 해상도 영역에서의 주요 과제를 규명하는 것.

제안 방법

• 두 번째 및 네 번째 랭크 텐서(γ, Q, R, Φ)를 통한 극성 및 축성 벡터의 결합을 바탕으로 한 현상학적 장 이론을 사용하여 스핀-광갈바닉 효과를 기술한다.
• 군 이론을 적용하여 텐서 성분을 결정계 점군 대칭, 특히 중심대칭이 없는 회전 대칭 클래스와 연결한다.
• 회전 수준 의존성 광학 자극을 사용하여 원형 광갈바닉 효과(j ∝ P_c γ·n), 스핀 갈바닉 효과(j ∝ Q·S), 및 역스핀 갈바닉 효과(S ∝ R·j)의 핵심 방정식을 유도한다.
• 스핀 플럭스 밀도 q_λμ 를 통한 순수 스핀 광전류를 도입하고, 양자 우물 및 양자 와이어에서의 대칭 제약 조건을 분석한다.
• 자기장에서의 자성-회전 대칭 광전류(j ∝ Φ·B)를 분석하여, C2v 대칭 시스템에서 B에 대한 선형 의존성과 |E|²에 비례함을 보인다.
• 효과적 해밀토니안과 대칭 기반 선택 규칙을 사용하여, 토폴로지적 물질, 특히 토폴로지적 절연체의 표면 상태와 와이울 세미메탈의 나선형 페르미온에 대한 분석을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 의존성 광갈바닉 효과는 반도체에서 비센터대칭이 깨진 상태에서 광학적 자극과 어떻게 상호작용하여 발생하는가?
• RQ2 회전 대칭은 비센터대칭 시스템에서 스핀 편향과 전류 간의 결합을 가능하게 하는가?
• RQ3 광전류 측정을 통해 저차원 이종구조의 점군 대칭을 어떻게 규명할 수 있는가?
• RQ4 스핀-광갈바닉 반응에서 토폴로지적 표면 상태와 와이울 페르미온의 특징은 무엇인가?
• RQ5 강한 또는 초단파 광학 자극 하에서 비퍼투베이티브 및 시간 해상도 영역에서 어떤 현상이 나타나는가?

주요 결과

• 원형 광갈바닉 효과는 원형 편광의 반전에 따라 전류 j ∝ P_c γ·n 에 비례하는 헬리시티 의존 전류를 생성하며, 이는 GaAs 양자우에서 확인되었다.
• 스핀 갈바닉 효과는 비평형 스핀 편향에 비례하는 전류 j_λ = Q_λμ S_μ 를 생성하며, 역효과는 전류에 의해 유도된 스핀 편향을 가능하게 한다.
• 순수 스핀 광전류는 스핀 플럭스 밀도 q_λμ 로 기술되며, 시스템의 대칭성과 양자 와이어에서의 양자화에 의해 비영 성분이 결정된다.
• 자기장에서의 자성-회전 대칭 광전류는 자기장에 대해 선형적으로 변화하며, C2v 대칭에서 j_x 와 j_y 는 각각 S_xx B_x + S_xy B_y 와 −(S_xx B_y + S_xy B_x) 에 비례한다.
• 광전류 텐서 성분(γ, Q, R, Φ)은 공간 및 시간 역행 대칭에 의해 완전히 결정되며, 실험 데이터로부터 대칭성을 규명하는 데 가능하다.
• 피코초 펄스를 이용한 시간 해상도 측정은 광전류의 비틀림, 이동, 스핀 및 궤도 기여를 분리하여 실시간 운반체 릴랙세이션 역학을 드러낸다.