[论文解读] Observing light-induced Floquet band gaps in the longitudinal conductivity of graphene

Lukas Broers, Ludwig Mathey|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Graphene research and applications参考文献 30被引用 36

一句话总结

本文提出利用石墨烯在圆偏振光照射下的光学纵向电导率作为直接探测光致Floquet能带隙的手段。通过采用耗散主方程建模电子动力学，作者表明这些能带隙在电导率中表现为共振特征，强驱动下电子布居反转导致负电导率——这不仅提供了对Floquet-Bloch能带的明确探测，还实现了通过光实现对输运的动态调控。

ABSTRACT

We propose optical longitudinal conductivity as a realistic observable to detect light-induced Floquet band gaps in graphene. These gaps manifest as resonant features in the conductivity, when resolved with respect to the probing frequency and the driving field strength. We demonstrate these features via a dissipative master equation approach which gives access to a frequency- and momentum-resolved electron distribution. This distribution follows the light-induced Floquet-Bloch bands, resulting in a natural interpretation as occupations of these bands. Furthermore, we show that there are population inversions of the Floquet-Bloch bands at the band gaps for sufficiently strong driving field strengths. This strongly reduces the conductivity at the corresponding frequencies. Therefore our proposal puts forth not only an unambiguous demonstration of light-induced Floquet-Bloch bands, which advances the field of Floquet engineering in solids, but also points out the control of transport properties via light, that derives from the electron distribution on these bands.

研究动机与目标

• 提供一种真实、实验可实现的可观测量，以明确探测固体中光致Floquet能带隙。
• 解决在固体中探测Floquet-Bloch能带的挑战，目前仍缺乏确凿的输运信号。
• 证明通过调控Floquet-Bloch能带的布居，光可实现对电子输运的动态控制。
• 识别出尽管存在竞争特征，石墨烯狄拉克点能带隙仍可清晰分辨的参数区域。
• 通过非平衡主方程方法，将可测量的光学电导率与Floquet-Bloch能带的有效布居联系起来。

提出的方法

• 使用耗散主方程在动量空间中建模石墨烯在圆偏振光照射下的非平衡动力学。
• 为每个动量k采用四能级希尔伯特空间描述电子布居分布，并计算双时间关联函数。
• 引入林德布拉德算符描述退相干（γz = 1 THz）、衰减（γ− = 2.25 THz）和基底耦合（γbg = 2.5 THz），以模拟真实的耗散效应。
• 通过创建和湮灭算符的时间平均关联函数，计算动量和能量分辨的电子布居分布n(k, ω)。
• 计算作为探测频率和驱动场强度函数的光学纵向电导率，以识别共振特征。
• 将电导率特征与Floquet子带内的跃迁及子带间的跃迁关联，并与Floquet-Bloch能带的有效布居联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学纵向电导率能否作为石墨烯中光致Floquet能带隙的直接且明确探测手段？
• RQ2 Floquet-Bloch能带的相对布居如何影响光学电导率？布居反转是否可能发生？
• RQ3 在何种驱动场强度和探测频率下会出现负电导率？其物理起源是什么？
• RQ4 在高阶光子过程引起的竞争共振特征存在的情况下，狄拉克点能带隙是否仍可分辨？
• RQ5 共动能带速度∂Πϵ(k)与观测到的电导率特征及能带隙位置有何关系？

主要发现

• 光学纵向电导率在对应于光致Floquet能带隙的频率处表现出清晰的共振特征，尤其在作为驱动场强度函数解析时更为显著。
• 存在一个特定区域——即驱动场强度Ed ≥ 28 MV/m且探测频率ωL ≈ 14 THz时——狄拉克点能带隙∆0可被明确分辨。
• 除∆0外的所有能带隙均随驱动强度增加而先增大，达到最大值后减小，且减小阶段对应负光学电导率。
• 负电导率源于Floquet-Bloch能带的布居反转，该现象发生在强驱动场下，对应于能带隙的减小阶段。
• 共动能带速度∂Πϵ(k)与观测到的电导率特征及能带隙位置具有强定性一致性，支持基于有效能带布居的物理解释。
• 该模型预测，在高迁移率石墨烯（如hBN封装的）中，通过实验可实现的参数即可分辨能隙特征，且所提出的实验设置与现有超快成像和输运测量技术兼容。