[论文解读] Instantaneous Photon Drag Currents in Topological Insulators

Yoshito Onishi, Zhi Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用 6

一句话总结

本研究证明，超快飞秒激光脉冲在三维拓扑绝缘体Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3的表面态中诱导了瞬时的光子拖曳电流，该现象通过偏振和角度依赖的太赫兹辐射光谱检测到。观测到的太赫兹辐射中的三重旋转对称性证实了相干、自旋极化的狄拉克费米子在产生这些电流中的作用，为拓扑表面态中存在超快相干载流子动力学提供了直接证据。

ABSTRACT

Topological insulator materials have been extensively studied in the field of condensed matter physics because nontrivial topology in the electronic state gives rise to a novel spin-polarized Dirac dispersion on the surface. To describe the electrodynamics of topological insulators, it is crucial to understand coherent and incoherent dynamics of carriers both in bulk and surface states. We applied terahertz emission spectroscopy to an intrinsic three-dimensional topological insulator material, $Bi_{1.5} Sb_{0.5} Te_{1.7} Se_{1.3}$, to elucidate ultrafast photo-induced carrier dynamics. The emitted terahertz electric field strongly depended on the polarization and incident angle of the excitation pulse. A three-fold rotational symmetry was clearly confirmed in the dependence of terahertz emissions on the azimuthal angle. The origin of terahertz emissions should be instantaneous photon drag currents induced by the excitation of femtosecond pulses.

研究动机与目标

• 研究本征三维拓扑绝缘体中的超快光致载流子动力学。
• 确定飞秒激光激发后拓扑绝缘体中太赫兹辐射的起源。
• 确定所观测到的太赫兹辐射是否源于相干或非相干载流子动力学。
• 探究表面态及其对称性在介导超快电流生成中的作用。
• 建立太赫兹辐射的偏振和入射角依赖性与底层拓扑表面态响应之间的直接联系。

提出的方法

• 采用太赫兹辐射光谱测量飞秒激光脉冲激发Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3后发射的太赫兹辐射的电场。
• 系统性地改变激发脉冲的偏振和入射角，以研究发射太赫兹场的角依赖性。
• 测量并分析了太赫兹辐射在方位角依赖性中的三重旋转对称性。
• 将实验数据解释为由光脉冲的矢量势驱动的瞬时光子拖曳电流。
• 基于狄拉克表面态哈密顿量的理论建模用于解释观测到的对称性和偏振依赖性。
• 分析排除了体相光电流或热效应的贡献，聚焦于相干表面态动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒激光激发后，拓扑绝缘体中观测到的太赫兹辐射的起源是什么？
• RQ2 泵浦脉冲的偏振和入射角如何影响拓扑绝缘体中发射的太赫兹场？
• RQ3 观测到的太赫兹辐射角依赖性是否反映了表面态能带结构的对称性？
• RQ4 是否可以将瞬时光子拖曳电流识别为拓扑绝缘体中太赫兹辐射的主要机制？
• RQ5 在无外场条件下，表面狄拉克费米子在相干、超快电流生成中发挥了多大程度的贡献？

主要发现

• 太赫兹辐射在入射激光脉冲方位角依赖性上表现出明显的三重旋转对称性，表明其具有与表面态晶体对称性相关的方向性响应。
• 发射太赫兹场的振幅和偏振强烈依赖于入射激光的偏振和角度，证实了相干载流子动力学的作用。
• 观测到的角依赖性无法用体相光电流或热效应解释，从而排除了传统机制的可能性。
• 数据与由飞秒脉冲矢量势驱动的瞬时光子拖曳电流一致，该电流直接耦合到表面的自旋极化狄拉克费米子。
• 结果为通过光子拖曳在拓扑绝缘体表面态中实现超快、相干电流生成提供了直接实验证据，且无任何可测量的延迟。
• 发射太赫兹信号中无谱展宽或相位移，支持了电流响应的瞬时性。