[论文解读] Calculations of two-color interband optical injection and control of carrier population, spin, current, and spin current in bulk semiconductors

Ravi Bhat, J. E. Sipe|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2006

Semiconductor materials and interfaces参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种非微扰的14带k·p模型，用于计算在体材料闪锌矿半导体中，通过双色光激发实现载流子布居、自旋、电流及自旋电流的调控。结果表明，电流与自旋电流的控制源于允许的一光子与允许-禁戒的两光子跃迁之间的干涉，而布居与自旋控制则源于允许的一光子与允许-允许的两光子跃迁之间的干涉，该研究在InSb、GaSb、InP、GaAs和ZnSe中均给出了定量预测。

ABSTRACT

Quantum interference between one- and two-photon absorption pathways allows coherent control of interband transitions in unbiased bulk semiconductors; carrier population, carrier spin polarization, photocurrent injection, and spin current injection can all be controlled. We calculate injection spectra for these effects using a 14x14 k.p Hamiltonian including remote band effects for five bulk semiconductors of zinc-blende symmetry: InSb, GaSb, InP, GaAs, and ZnSe. Microscopic expressions for spin-current injection and spin control accounting for spin split bands are presented. We also present analytical expressions for the injection spectra derived in the parabolic-band approximation and compare these with the calculation nonperturbative in k.

研究动机与目标

• 开发一种非微扰的微观模型，用于在无偏置体半导体中，通过双色光激发实现载流子动力学的相干调控。
• 通过采用包含远端带效应的14带k·p哈密顿量，克服抛物带近似和从头算方法的局限性。
• 在抛物带近似下推导并比较解析表达式与完整的数值计算结果，以分析注入光谱。
• 阐明一光子与两光子路径之间干涉的微观起源，以实现对布居、自旋、电流及自旋电流的调控。
• 识别控制不同物理可观测量的独立量子干涉机制，特别是能带非抛物性与自旋-轨道耦合的作用。

提出的方法

• 采用包含远端带效应的14×14 k·p哈密顿量，模拟闪锌矿半导体（InSb、GaSb、InP、GaAs、ZnSe）中的带间跃迁。
• 基于非抛物、形变能带区的速率矩阵元v_n,m(k)，推导光电流与自旋电流注入的微观表达式。
• 对自旋-轨道耦合与带间耦合采用微扰处理，以包含自旋分裂与非抛物性效应。
• 将抛物带近似（PBA）下的解析结果与完整数值解进行比较，以评估其有效性并揭示关键差异。
• 计算一光子与两光子吸收路径的注入光谱，重点关注控制载流子布居与自旋极化的干涉项。
• 将二阶极化率χ^(2)abc(−2ω;ω,ω)的虚部作为非线性光学响应的代理，将其与可测量的光电流与自旋电流关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 一光子与两光子吸收路径之间的量子干涉效应如何在无偏置体半导体中实现对载流子布居与自旋的调控？
• RQ2 能带非抛物性与自旋-轨道耦合在区分电流注入与布居、自旋控制机制中起什么作用？
• RQ3 抛物带近似下的解析预测与非微扰14带k·p计算在双色光注入中的表现有何差异？
• RQ4 为何布居与自旋控制需要允许-允许两光子跃迁之间的干涉，而电流与自旋电流控制则依赖于允许-禁戒跃迁之间的干涉？
• RQ5 在双色激发下，InSb、GaSb、InP、GaAs与ZnSe之间的注入效率与光谱响应有何定量差异？

主要发现

• 14带k·p模型表明，电流与自旋电流注入主要由允许的一光子与允许-禁戒的两光子跃迁之间的干涉主导。
• 相比之下，布居与自旋控制源于允许的一光子与允许-允许的两光子跃迁之间的干涉，这一区别在抛物带近似中无法体现。
• 抛物带近似因无法考虑非抛物性与自旋分裂效应，而无法描述布居与自旋控制。
• 在PBA下推导的解析表达式显示，当允许-允许跃迁占主导时，一光子与两光子吸收的比值R约为1；而当允许-禁戒项占主导时，R显著增大。
• 该模型预测，在InSb、GaSb、InP、GaAs与ZnSe中，注入光谱存在可测量的差异，其中InSb因带隙较小且自旋-轨道分裂较大而表现出最强响应。
• 引入远端带与非抛物性显著增强了干涉项，特别是在自旋电流通道中，其增强程度远超八带或抛物带模型的预测。