[論文レビュー] Lightwave-driven electrons in a Floquet topological insulator

Tobias Weitz, Daniel Lesko+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、光でドレスされたグラフェンに対する全光制御によって光電流を実現し、Floquetトポロジカル絶縁体（FTI）を形成し、光波駆動の異常ホール電流、円二色性、そして谷分極を測定し、理論と実験の強い一致を得ている。

ABSTRACT

Topological insulators offer unique opportunities for novel electronics and quantum phenomena. However, intrinsic material limitations often restrict their applications and practical implementation. Over a decade ago it was predicted that a time-periodic perturbation can generate out-of-equilibrium states known as Floquet topological insulators (FTIs), hosting topologically protected transport and anomalous Hall physics, and opening routes to optically tunable bandstructures and devices compatible with petahertz electronics. Although such states have not yet been directly observed, indirect signatures such as the light-induced anomalous Hall effect were recently measured. Thus far, much remained experimentally unclear and fundamentally unknown about solid-state FTI and whether they can be employed for electronics. Here we demonstrate coherent control of photocurrents in light-dressed graphene. Circularly-polarized laser pulses dress the graphene band structure to obtain an FTI, and phase-locked second harmonic pulses drive electrons in the FTI. This approach allows us to measure resulting all-optical anomalous Hall photocurrents, FTI-valley-polarized currents, and photocurrent circular dichroism, all phenomena that put FTIs on equal footing with equilibrium topological insulators. We further present an intuitive description for the sub-optical-cycle light-matter interaction, revealing dynamical symmetry selection rules for photocurrents. All measurements are supported by strong agreement with ab-initio and analytic theory. Remarkably, the photocurrents show a strong sub-cycle phase-sensitivity that can be employed for ultrafast control in topotronics and spectroscopy. Our work connects Floquet and topological physics with attoscience and valleytronics, and goes beyond band structure engineering by initiating lightwave-driven dynamics in FTI states.

研究の動機と目的

• 固体状態システムにおける Floquet トポロジカル絶縁体（FTIs）の創出と探究を、グラフェンの光によるドレス化を通じて促進する。
• ωと2ωの二色系を用いた全光学的な光電流制御を実証し、FTI特性を探る。
• Floquet工学によって作られた帯域に起因する円二色性、異常ホール電流、そして谷分極を測定する。
• 光電流生成を説明するため、対称性を考慮したサブサイクルの光物質相互作用像を直感的に構築する。
• 実験結果をab-initio TDDFTと解析理論で検証し、電流をFTI状態に起因させる。

提案手法

• 円偏光基底 ω場を用いてグラフェンをドレスし、非零ギャップとベリー曲率を持つFloquet-Bloch帯を作る。
• 共伝搬する二次調波 2ωパルスを用いて超高速電子ダイナミクスを駆動し、光電流を生み出す。
• ωと2ωの間の位相 φ_{ω-2ω} を制御してサブサイクルダイナミクスを探り、位相依存電流を測定する。
• 2ωパルスの楕円偏光度を変化させて円二色性とトポロジー的署名を調べる。
• 実験結果をab-initio TDDFTシミュレーションと解析理論と比較して、谷起源およびトポロジー駆動の寄与を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光によるドレス化はグラフェンをFloquetトポロジカル絶縁体に変換できるか、光電流にどのようなトポロジー的署名が現れるか。
• RQ2 ωと2ωの二色場が，相対位相と楕円偏光度を介して、円二色性と異常ホール電流をどのように現れさせるか。
• RQ3 Floquet駆動下で谷自由度（KとK′）が光電流と谷分極にどの程度寄与するか。
• RQ4 FTIsにおけるサブサイクル電子運動と光電流生成を支配する動的対称性選択則は何か。
• RQ5 ab-initioシミュレーションは、電流がエッジ状態ではなくFloquet物理に起因するという実験的観察を裏付けるか。

主な発見

• 2ωの楕円偏光度を変化させて生じる円二色性により、TDDFTシミュレーションと一致する強い電流変調が観測される。
• ωでドレシングされたFTIが、直交偏光を持つ2ω場によって駆動されると、全光的な異常ホール電流が現れる。
• 約25%までの谷分極電流が観測され、FTIにおける谷選択輸送を示す。
• φ_{ω-2ω} を変えることで異常ホール電流の位相制御反転を実現。
• TDDFTとab-initio理論は実験と一致し、エッジ状態寄与よりもFloquet帯起源を指す。
• 特定の構成で最大31 pAの谷電流を実証し、FTIsにおける谷トロニクスの可能性を示す。