[论文解读] Semiclassical theory of the photogalvanic effect in non-centrosymmetric systems

Eric Deyo, L. E. Golub+2 more|ArXiv.org|Apr 13, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 41

一句话总结

本文建立了非中心对称材料中光电流效应的半经典理论，表明在输运方程中，贝里曲率和侧向跃迁项对直流电流的贡献与交流电场的平方成正比。关键结果是，圆偏振光电流效应（CPGE）完全由这些几何项和位移相关项引起，而线性光电流效应（LPGE）及非线性I-V特性则主要由倾斜散射主导。

ABSTRACT

We develop a semiclassical theory of nonlinear transport and the photogalvanic effect in non-centrosymmetric media. We show that terms in semiclassical kinetic equations for electron motion which are associated with the Berry curvature and side jumps give rise to a dc current quadratic in the amplitude of the ac electric field. We demonstrate that the circular photogalvanic effect is governed by these terms in contrast to the linear photogalvanic effect and nonlinear I-V characteristics which are governed mainly by the skew scattering mechanism. In addition, the Berry curvature contribution to the magnetic-field induced photogalvanic effect is calculated.

研究动机与目标

• 开发非中心对称材料中非线性输运的半经典框架。
• 识别超越倾斜散射机制的光电流效应的微观起源。
• 阐明几何相位（贝里曲率）与坐标位移（侧向跃迁）在产生直流电流中的作用。
• 区分倾斜散射、贝里曲率与位移机制对线性和圆偏振光电流效应的贡献。
• 分析非中心对称系统中光电流响应的磁场依赖性。

提出的方法

• 构建一个广义的半经典玻尔兹曼方程，其中包含散射事件中的动量与坐标位移。
• 通过波函数中的几何相位，将贝里曲率对电子速度的贡献纳入其中。
• 利用带有碰撞积分修正的输运方程，将电流响应表示为交流电场的二次函数。
• 通过复数电场乘积，将电流分解为对称部分（线性光电流）与反对称部分（圆偏振光电流）。
• 通过张量χλμν与γλμ分离倾斜散射、贝里曲率与侧向跃迁的贡献。
• 利用有效质量、带隙能量与散射不对称性等材料参数，对不同贡献的相对大小进行解析估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非中心对称系统中，贝里曲率与侧向跃迁项在交流电场作用下产生直流电流的机制是什么？
• RQ2 为何倾斜散射机制无法对圆偏振光电流效应（CPGE）产生贡献，而几何项可以？
• RQ3 在线性和圆偏振光电流效应中，倾斜散射、贝里曲率与位移机制的贡献在数量上如何比较？
• RQ4 光电流的磁场依赖性如何？其受几何与散射机制的影响机制是什么？
• RQ5 半经典方法是否可以在不引入量子力学位移或弹道贡献的前提下解释CPGE？

主要发现

• 圆偏振光电流效应（CPGE）在半经典输运方程中完全由贝里曲率与侧向跃迁项决定，其中γB ∼ A e m* Im(σω) 且 γsh ∼ η e m* Im(σω)。
• 倾斜散射机制对线性光电流效应（LPGE）及非线性I-V特性有贡献，但对CPGE的贡献为零，即γsk = 0。
• 在对称参数相近的情况下，倾斜散射对LPGE的贡献超过贝里曲率与位移相关贡献，其关系为χsk ∼ ξimp_sk Re(σω) el / ε̄。
• 贝里曲率与位移机制对LPGE的贡献量级为χB,χsh ∼ ξpiro Re(σω) e a0 / Eg，其中ξpiro为无量纲的不对称参数。
• 在静态极限（ω → 0）下，γB与γsh如预期般趋于零，证实了CPGE的频率依赖性。
• 响应张量χ与γ的磁场依赖性包含通过βL与βC张量的线性项，这些张量仅在非中心对称系统中非零。