[논문 리뷰] Theory of magnetoelectric photocurrent generated by direct interband transitions in semiconductor quantum well

Hai‐Zhou Lu, Bin Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 08.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 41인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 선형 편광 빛에 의해 직접 밴드 간 전이가 유도되는 반도체 양자우물에서 자기전기 광전류의 이론적 프레임워크를 제안한다. 밀도 행렬 형식을 사용하여, 광자 자극된 캐리어 밀도의 k-공간 이방성이 전기장 및 편광에 의존하는 광전류를 설명하며, 운동 에너지 대 조지먼 에너지 비율을 통해 측정 가능한 자기전기 광전류와 측정 불가능한 영자장 순수 스핀 광전류를 연결하는 정량적 추정치를 도출한다.

ABSTRACT

A linearly polarized light normally incident on a semiconductor quantum well with spin-orbit coupling may generate pure spin current via direct interband optical transition. An electric photocurrent can be extracted from the pure spin current when an in-plane magnetic field is applied, which has been recently observed in the InGaAs/InAlAs quantum well [Dai et al., Phys. Rev. Lett. 104, 246601 (2010)]. Here we present a theoretical study of this magnetoelectric photocurrent effect associated with the interband transition. By employing the density matrix formalism, we show that the photoexcited carrier density has an anisotropic distribution in k space, strongly dependent on the orientation of the electron wavevector and the polarization of the light. This anisotropy provides an intuitive picture of the observed dependence of the photocurrent on the magnetic field and the polarization of the light. We also show that the ratio of the pure spin photocurrent to the magnetoelectric photocurrent is approximately equal to the ratio of the kinetic energy to the Zeeman energy, which enables us to estimate the magnitude of the pure spin photocurrent. The photocurrent density calculated with the help of an anisotropic Rashba model and the Kohn-Luttinger model can produce all three terms in the fitting formula for measured current, with comparable order of magnitude, but discrepancies are still present and further investigation is needed.

연구 동기 및 목표

• 최근 관측된 InGaAs/InAlAs 양자우물에서의 자기전기 광전류에 대한 미시적 설명을 제공하기 위해.
• 광전류가 평면 내 자기장과 빛 편광에 따라 변하는 원인을 명확히 하기 위해.
• 실험적으로 측정 가능한 자기전기 광전류와 측정 불가능한 영자장 순수 스핀 광전류 사이의 정량적 연관성을 확립하기 위해.
• 이방성 라슈바 및 콜른-לוט링거 효과 질량 해밀토니안을 사용하여 이론 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 반도체 양자우물에서의 밴드 간 광학 전이를 계산하기 위해 밀도 행렬 형식을 적용한다.
• 가장소의 효과 해밀토니안을 사용하여 이방성 라슈바 스핀-오르빗 결합과 콜른-לוט링거 모델을 결합한다.
• 빛의 편광과 전자 파동벡터의 방향에 따라 의존하는 k-공간에서의 광자 자극된 캐리어 밀도 분포를 계산한다.
• 선형 반응 이론을 사용하여 이방성 캐리어 분포에서 광전류 밀도를 유도한다.
• 실험적 피팅 공식과 비교하기 위해 현실적인 파rameter를 사용한 수치 계산을 수행한다.
• 운동 에너지 대 조지먼 에너지 비율을 사용하여 측정된 자기전기 광전류에서 영자장 순수 스핀 광전류를 추정하는 방법을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 내 자기장과 빛 편광에 따라 관측된 자기전기 광전류의 의존도를 설명하는 미시적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 직관적인 대칭성 예측과는 달리, 자기장이 양자우물 평면과 평행할 때조차도 자기전기 광전류가 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 영자장 순수 스핀 광전류의 크기는 실험적으로 측정 가능한 자기전기 광전류로부터 어떻게 추정할 수 있는가?
• RQ4 이방성 라슈바 및 콜른-לוט링거 모델이 실험 광전류 데이터를 정량적으로 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• k-공간에서의 광자 자극된 캐리어의 이방성 분포는 전기장 및 편광에 의존하는 광전류에 대한 직접적인 미시적 설명을 제공한다.
• 순수 스핀 광전류 대 자기전기 광전류 비율은 운동 에너지 대 조지먼 에너지 비율과 약간 같으며, 측정 불가능한 스핀 전류를 추정하는 데 도움이 된다.
• 이방성 라슈바 및 콜른-לוט링거 모델을 사용한 수치 계산은 실험 피팅 공식의 세 가지 항 모두를 유사한 크기로 재현한다.
• 계산된 광전류 밀도는 실험 값과 비슷한 주기의 크기를 가지나, 여전히 차이가 존재한다.
• 이론적 모델은 k-공간 이방성을 통해 평행 자기장 하에서도 광전류가 관측되는 비직관적인 관측 결과를 성공적으로 설명한다.
• 이론적 프레임워크는 직접 측정이 불가능한 시스템에서 순수 스핀 광전류를 추정하는 예측 도구를 제공한다.