[论文解读] Giant inverse Faraday effect in Dirac semimetals

Masashi Kawaguchi, Hana Hirose+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用 5

一句话总结

本研究在铋基狄拉克半金属中展示了巨大的反法拉第效应（IFE），其中圆偏振光诱导的有效磁场比传统金属中的大几个数量级。该效应源于强自旋-轨道耦合狄拉克费米子中电子有效质量小与g因子大的协同作用，实现了高效的光-自旋耦合，并产生可通过手性依赖光电流（HDP）检测的自旋电流，其峰值出现在狄拉克点。

ABSTRACT

We have studied helicity dependent photocurrent (HDP) in Bi-based Dirac semimetal thin films. HDP increases with film thickness before it saturates, changes its sign when the majority carrier type is changed from electrons to holes and takes a sharp peak when the Fermi level lies near the charge neutrality point. These results suggest that irradiation of circularly polarized light to Dirac semimetals induces an effective magnetic field that aligns the carrier spin along the light spin angular momentum and generates a spin current along the film normal. The effective magnetic field is estimated to be orders of magnitude larger than that caused by the inverse Faraday effect (IFE) in typical transition metals. We consider the small effective mass and the large $g$-factor, characteristics of Dirac semimetals with strong spin orbit coupling, are responsible for the giant IFE, opening pathways to develop systems with strong light-spin coupling.

研究动机与目标

• 研究强自旋-轨道耦合狄拉克半金属中光致自旋电流的产生机制。
• 确定铋基薄膜中增强的反法拉第效应（IFE）相较于传统金属的起源。
• 将手性依赖光电流（HDP）与有效磁场及载流子类型（电子/空穴）相关联。
• 确定狄拉克点及费米能级位置在最大化IFE响应中的作用。
• 建立材料参数（有效质量、g因子）与所诱导有效磁场大小之间的关联。

提出的方法

• 使用波长为405 nm、功率可调且手性可变的圆偏振光，对铋基狄拉克半金属薄膜进行了手性依赖光电流（HDP）测量。
• 实验装置采用四分之一波片控制光的手性，入射角固定在约45°，并改变方位角以探测不同偏振态。
• 将HDP拟合至包含反常自旋霍尔效应（ISHE）和有效磁场项h_eff g_eff的理论模型。
• 理论计算假设多数载流子的自旋霍尔电导率（σ_SH）为常数，并按少数载流子的载流子密度进行缩放，g_eff和h_eff则建模为载流子密度的函数。
• 将h_eff g_eff的峰值拟合至狄拉克点，其宽度Δ与狄拉克点和费米能级之间的能量差相匹配。
• 分析了光强和波长依赖性，以评估HDP随功率和波长的变化规律，并通过归一化处理以分离本征响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在狄拉克半金属中，圆偏振光诱导的有效磁场大小是多少？与传统金属相比有何差异？
• RQ2 手性依赖光电流（HDP）如何随薄膜厚度、载流子类型及费米能级位置变化？
• RQ3 狄拉克费米子的小有效质量和大g因子在增强反法拉第效应中起什么作用？
• RQ4 为何HDP在电荷中性点附近表现出尖锐峰值？这对自旋纹理和光-自旋耦合意味着什么？
• RQ5 在这些材料中，IFE的强度如何随光的波长和强度变化？

主要发现

• 手性依赖光电流（HDP）随薄膜厚度增加而增强，并在约70 nm处饱和，表明自旋电流具有体效应贡献。
• 当多数载流子类型从电子转变为空穴时，HDP符号发生改变，证实了电流的自旋极化特性。
• 当费米能级接近电荷中性点时，HDP出现尖锐峰值，该点与狄拉克点重合。
• 由于狄拉克半金属中g_eff大且有效质量小，估算的有效磁场h_eff比典型过渡金属大1–2个数量级。
• 理论建模表明，h_eff g_eff在狄拉克点处达到峰值，其宽度Δ与狄拉克点和费米能级之间的能量差相匹配。
• 归一化后的HDP（C/P）随光波长增加而增大，表明在更长波长下可能存在增强效应，尽管受限于实验波长范围。