[論文レビュー] Momentum shift current at terahertz frequencies in twisted bilayer graphene

Daniel Kaplan, Tobias Holder+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、平坦バンドにおける運動量空間のシフトを活用して外部バイアスなしで一様なDC電流またはオープン・サーキット電圧を生成する、バルク光電効果（BPVE）を用いたねじれ二層グラフェン（TBG）におけるテラヘルツ（THz）検出を提案する。TBGは0.2–1 THzの周波数範囲で顕著なBPVE応答を示し、従来のTHz検出器とは異なり、温度に強く、信頼性の高い代替手段を提供する。

ABSTRACT

The detection of terahertz (THz) radiation promises intriguing applications in biology, telecommunication, and astronomy but remains a challenging task so far. For example, semiconductor infrared detectors (e.g., HgCdTe) utilize photo-excited electrons across the bandgap and hardly reach the far-infrared terahertz regime because they are vulnerable to thermally excited carriers. In this work, we propose the THz sensing by the bulk photovoltaic effect (BPVE) in the twisted bilayer graphene (TBG). The BPVE converts light into a coherent DC at zero bias or an open-circuit voltage. As a quantum response from the wave function's geometry (different from the $p$-$n$ junction), BPVE is more robust against temperature excitation and disorders. We predict that the TBG (bandgap of several meV) exhibits a sizeable BPVE response in a range of 0.2 -- 1 THz. Beyond the ordinary shift current scenario, BPVE in TBG comes from a momentum-space shift of flat bands. Our work provides a pathway to design twisted photonics for resonant terahertz detection.

研究の動機と目的

• 従来の半導体（HgCdTeなど）が熱的キャリア励起によって問題を起こす遠赤外領域におけるテラヘルツ放射の検出という課題に対処すること。
• 不純物や温度に敏感なp-nジャンクションに代わる検出メカニズムを検討すること。
• ねじれ二層グラフェンにおける電子波動関数の幾何的位相を活用して、強固で内在的な光電効果応答を実現すること。
• 平坦バンドがTBGにおける運動量空間のシフト電流メカニズムを可能にし、THz帯域でBPVE応答を強化できることを示すこと。
• 共鳴的THz検出能力を有するねじれ光子デバイスの設計パスを提供すること。

提案手法

• 対称性保護された平坦バンドを用いたねじれ二層グラフェン（TBG）におけるバルク光電効果（BPVE）の理論的モデル化。
• 運動量空間における電子波動関数の量子幾何学に基づくシフト電流応答の分析。
• 円偏光光照射下での非線形光電流応答の計算。これは、遷移行列要素およびベリー曲率から導出される。
• ねじれ角の関数としてのBPVE応答の調査。特に数meVのバンドギャップを示す平坦バンドの出現に注目する。
• 0.2–1 THz周波数範囲におけるDC光電流およびオープン・サーキット電圧の数値的評価。
• 従来の非対称性材料における通常のシフト電流と、TBGにおける運動量空間シフト機構の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ二層グラフェンは、テラヘルツ周波数帯域で顕著なバルク光電効果（BPVE）を示すことができるか？
• RQ2 平坦バンドにおける運動量空間のシフトは、TBGにおけるシフト電流応答にどのように寄与するか？
• RQ3 BPVEによって生成される光電流の大きさと周波数依存性は何か？
• RQ4 温度の変動に強く、従来の半導体検出器と比較して優れた耐性を示すか？
• RQ5 TBGにおける波動関数の幾何的位相は、外部バイアスなしで共鳴的THz検出を可能にするか？

主な発見

• ねじれ二層グラフェンは、0.2–1 THz周波数範囲で顕著なバルク光電効果（BPVE）応答を示す。
• TBGにおけるBPVEは、従来のシフト電流メカニズムとは異なる、平坦バンドの運動量空間シフトに起因する。
• 波動関数のベリー曲率に由来する幾何的性質のおかげで、熱的励起や不純物に対して強く、安定した応答を示す。
• 外部バイアスゼロで一様なDC光電流またはオープン・サーキット電圧が生成され、エネルギー効率の高い検出が可能になる。
• 数meVのバンドギャップを有するTBGは、遠赤外領域でも測定可能な光電流応答を支持する。
• このメカニズムは、共鳴的テラヘルツ検出を実現するねじれ設計光子デバイスの実現可能性を示す道筋を提供する。