[論文レビュー] Ultrafast electronic heat dissipation through surface-to-bulk Coulomb coupling in quantum materials

Alessandro Principi, Klaas‐Jan Tielrooij|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、量子材料（例：トポロジカル絶縁体や小ギャップ基板上に形成されたグラフェンなど）の表面に存在する高温のディラックフェルミオンが、非遅延的クーロン相互作用を通じて3次元バルク電子系に近接して熱を放出することにより、超高速な電子的冷却を実現する新規な冷却メカニズム「クーロン冷却」を提案する。このメカニズムにより、フォノン媒介冷却よりも顕著に高速なピコ秒未満の冷却が可能となり、非遅延的クーロン相互作用によるバルクの粒子-空孔励起状態へのエネルギー効率的移動が要因である。

ABSTRACT

The timescale of electronic cooling is an important parameter controlling the performance of devices based on quantum materials for optoelectronic, thermoelectric and thermal management applications. In most conventional materials, cooling proceeds via the emission of phonons, a relatively slow process that can bottleneck the carrier relaxation dynamics, thus degrading the device performance. Here we present the theory of near-field radiative heat transfer, that occurs when a two-dimensional electron system is coupled via the non-retarded Coulomb interaction to a three-dimensional bulk that can behave as a very efficient electronic heat sink. We apply our theory to study the cooling dynamics of surface states of three dimensional topological insulators, and of graphene in proximity to small-gap bulk materials. The ``Coulomb cooling'' we introduce is alternative to the conventional phonon-mediated cooling, can be very efficient and dominate the cooling dynamics under certain circumstances. We show that this cooling mechanism can lead to a sub-picosecond time scale, significantly faster than the cooling dynamics normally observed in Dirac materials.

研究の動機と目的

• 3次元トポロジカル絶縁体の表面状態で観測された予想外に高速な電子的冷却を説明すること。これは、バルクキャリアーやグラフェンよりも速い。
• 格子振動ではなく直接的な電子的結合を介するフォノン媒介冷却の代替手段を提案すること。
• 近接場放射熱伝達がクーロン相互作用を通じて量子材料の緩和ダイナミクスを支配しうることを示すこと。
• グラフェンを小ギャップ半導体上に配置したような実際の系における、この冷却メカニズムの効率と時間スケールを定量すること。

提案手法

• 非遅延的クーロン相互作用を介した2次元ギャップのないディラックフェルミオン系と3次元ギャップを持つバルクとの結合を考慮した、表面ディラックフェルミオンの運動方程式に基づく理論的枠組みを構築する。
• 系を2次元質量ゼロディラックフェルミオン系（例：グラフェンやトポロジカル絶縁体の表面）と、バンドギャップを持つ3次元電子的バケツの近接系としてモデル化する。
• 線形応答理論とゆらぎ-散逸定理を用いて、表面からバルクへのエネルギー移動率を計算する。
• バルクのスペクトル関数と表面電子分布を用いて、熱放出率を計算する。
• 短距離での有効性を示す非遅延的クーロン相互作用の役割を考慮し、近接場結合を記述する。
• トポロジカル絶縁体からの実験データと予測された冷却時間スケールを比較することで、メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ3次元トポロジカル絶縁体の表面電子は、同様の励起条件下でバルク電子やグラフェンよりも速く冷却されるのか？
• RQ2 マクロな3次元バルクへの電子的結合が、2次元ディラックフェルミオンの効率的熱源として機能できるか？
• RQ3 フォノン媒介冷却と比較して、クーロン結合による熱放出の時間スケールはどの程度か？
• RQ4 どのような条件下でクーロン冷却が従来の緩和メカニズムを上回るのか？

主な発見

• クーロン冷却によりピコ秒未満の電子的緩和が可能となり、フォノンバケツの影響によりピコ秒スケールに留まるグラフェンの冷却と比べ顕著に高速である。
• 実際の条件下では、クーロン結合による冷却速度がフォノン媒介冷却を1桁以上上回る可能性がある。
• このメカニズムはフォノンではなく、表面ディラックフェルミオンとバルクの粒子-空孔励起状態との近接場クーロン結合に依存する。
• バルクのバンドギャップが小さく、フェルミエネルギー付近の状態密度が高い場合に冷却効率が最大化される。
• 理論は、トポロジカル絶縁体表面状態で観測された約300 fsの冷却を説明でき、これは電子-フォノン結合だけでは説明できない。
• 提案されたメカニズムは一般性を持ち、小ギャップ3次元材料の近傍に配置された任意の2次元ディラック系（例：グラフェン）に適用可能である。