[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出通过体光伏效应（BPVE）在扭曲双层石墨烯（TBG）中实现太赫兹（THz）探测，利用平坦能带中的动量空间位移产生相干直流电流或开路电压，无需外部偏置。TBG在0.2–1 THz频段表现出显著的BPVE响应，为传统太赫兹探测器提供了一种鲁棒、温度不敏感的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 为解决在远红外波段中传统半导体（如HgCdTe）因热载流子激发而难以探测太赫兹辐射的挑战。
• 探索超越p-n结的替代探测机制，后者对无序和温度敏感。
• 利用扭曲双层石墨烯中电子波函数的几何相位，实现鲁棒、本征的光伏响应。
• 证明TBG中的平坦能带可实现动量空间位移电流机制，增强THz频段的BPVE响应。
• 为具有共振太赫兹探测能力的扭曲光子器件提供设计路径。

提出的方法

• 基于对称性保护的平坦能带，对扭曲双层石墨烯（TBG）中的体光伏效应（BPVE）进行理论建模。
• 基于动量空间中电子波函数的量子几何，分析位移电流响应。
• 计算在圆偏振光照射下，由跃迁矩阵元和贝里曲率导出的非线性光电流响应。
• 研究BPVE响应随扭转角的变化，重点关注几meV带隙的平坦能带的出现。
• 在0.2–1 THz频率范围内，对直流光电流和开路电压进行数值评估。
• 比较TBG中动量空间位移机制与非中心对称材料中传统位移电流机制的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲双层石墨烯是否能在太赫兹频段支持强烈的体光伏效应？
• RQ2 平坦能带中的动量空间位移如何贡献于TBG中的位移电流响应？
• RQ3 通过BPVE在TBG中产生的光电流的大小和频率依赖性如何？
• RQ4 与传统半导体探测器相比，TBG中的BPVE响应在温度鲁棒性方面表现如何？
• RQ5 TBG中波函数的几何相位是否能实现无需外部偏置的共振太赫兹探测？

主要发现

• 扭曲双层石墨烯在0.2–1 THz频段表现出显著的体光伏效应（BPVE）响应。
• TBG中的BPVE源于平坦能带的动量空间位移，与传统位移电流机制不同。
• 由于其源于波函数贝里曲率的几何起源，该响应对热激发和无序具有鲁棒性。
• 该系统在零偏置下可产生相干直流光电流或开路电压，实现能效高的探测。
• TBG中几meV量级的带隙支持在远红外波段产生可测量的光电流响应。
• 该机制为设计用于共振太赫兹探测的扭转型光子器件提供了可行路径。