[论文解读] Intrinsic Fermi Surface Contribution to the Circular Photogalvanic Effect

Lingyuan Gao, Zachariah Addison+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用 4

一句话总结

该论文揭示了在超净、时间反演对称的金属中，圆偏振光照射下，费米面上的相干电子跃迁导致的圆光电流效应中存在一种本征的费米面贡献。在手性外尔半金属中，该效应在低能区呈频率线性依赖，其数值由外尔节点电荷拓扑量化，且其大小与近期发现的量子化光电流效应相当。

ABSTRACT

We study the Fermi surface contribution to the nonlinear DC photocurrent at quadratic order in a spatially uniform optical field in the ultra-clean limit. In addition to injection and ballistic currents, we find that circularly-polarized light incident on a time-reversal invariant metallic system generates an intrinsic contribution to the bulk photogalvanic effect deriving from photoinduced electronic transitions on the Fermi surface. In velocity gauge, this contribution originates in both the coherent band off-diagonal and diagonal parts of the density matrix, describing respectively, the coherent wave function evolution and the carrier dynamics of an excited population. We derive a formula for the intrinsic Fermi surface contribution for a chiral Weyl semimetal. At low frequency, this response is proportional to the frequency of the driving field, with its sign determined by the topological charge of the Weyl nodes and with its magnitude being comparable to the recently discovered quantized circular photogalvanic effect.

研究动机与目标

• 识别并表征在超净金属体系中，源自费米面的、此前未被计入的本征光电流效应贡献。
• 阐明密度矩阵中相干能带非对角元与对角元在产生费米面电流中的作用。
• 推导在圆偏振光照射下，手性外尔半金属中本征费米面贡献的定量公式。
• 确定该光电流响应在低频区的频率依赖性及其拓扑起源。
• 将此本征费米面电流的大小与近期发现的量子化圆光电流效应进行比较。

提出的方法

• 采用速度表象形式描述圆偏振光与金属体系中电子的相互作用。
• 将密度矩阵分解为相干波函数演化（非对角部分）与载流子布居动力学（对角部分）的贡献。
• 应用线性响应理论，计算光学场二次阶下的非线性直流光电流。
• 聚焦于超净极限，以分离出源自费米面的本征、无散射贡献。
• 推导手性外尔半金属模型中光电流的解析表达式。
• 分析低频极限，以提取频率线性依赖关系与拓扑特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时间反演对称金属中，本征费米面贡献于圆光电流效应的起源是什么？
• RQ2 密度矩阵的相干能带非对角与对角项如何共同贡献于光电流？
• RQ3 在手性外尔半金属中，本征费米面电流的频率依赖性如何？
• RQ4 该电流的符号与大小如何与外尔节点的拓扑电荷相关？
• RQ5 此本征费米面电流的大小与量子化圆光电流效应相比如何？

主要发现

• 在超净、时间反演对称金属中，存在一种本征的费米面贡献于圆光电流效应，其源于费米面上的相干电子跃迁。
• 该贡献源自速度表象中密度矩阵的非对角（相干演化）与对角（布居动力学）两部分。
• 在手性外尔半金属中，低频响应与驱动场频率呈线性关系。
• 光电流的符号由外尔节点的拓扑电荷决定。
• 此本征费米面电流的大小与近期发现的量子化圆光电流效应相当。
• 该响应完全为本征效应，且在超净极限下依然存在，表明其具有拓扑保护起源。