[论文解读] Photon helicity driven electric currents in graphene

J. Karch, P. Olbrich+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 5被引用 11

一句话总结

本文展示了圆偏振太赫兹辐射通过光子手性驱动单层石墨烯中产生定向电流。识别出两种不同机制：在斜入射时为体相圆偏振光拖曳效应，在正入射时为边缘驱动的光致电导效应，且通过样品边缘的对称性破缺解释了手性依赖性和线性偏振依赖性的光生电流。

ABSTRACT

We report on the observation of photon helicity driven currents in graphene. The directed net electric current is generated in single layer graphene by circularly polarized terahertz laser radiation at normal as well as at oblique incidence and changes its sign upon reversing the radiation helicity. The phenomenological and microscopic theories of the observed photocurrents are developed. We demonstrate that under oblique incidence the current is caused by the circular photon drag effect in the interior of graphene sheet. By contrast, the effect at normal incidence stems from the sample edges, which reduce the symmetry and result in an asymmetric scattering of carriers driven by the radiation field. Besides a photon helicity dependent current we also observe photocurrents in response to linearly polarized radiation. The microscopic mechanisms governing this effect are discussed.

研究动机与目标

• 研究单层石墨烯在圆偏振太赫兹辐射下手性驱动光生电流的起源。
• 区分有限尺寸石墨烯样品中体相光拖曳效应与边缘诱导光生电流的贡献。
• 建立一个微观理论，解释石墨烯中手性依赖性和线性偏振依赖性光生电流的产生机制。
• 阐明样品边缘对称性破缺在正入射时实现光生电流中的作用。
• 提供石墨烯在光学激发下光生电流产生过程的唯象描述与量子力学描述。

提出的方法

• 实验采用机械剥离的单层石墨烯微小 flakes，沉积在 SiO2/Si 基底上并使用 Pd 电极，分别在正入射和斜入射条件下探测圆偏振太赫兹辐射。
• 在室温下测量光生电流随辐射手性（方位角 φ）和入射角（θ₀）的变化关系。
• 构建唯象模型，将体相光拖曳效应（对入射角为奇函数）与边缘光致电导效应（对入射角为偶函数）的贡献分离开来。
• 基于弛豫时间近似的玻尔兹曼方程，建立描述边缘光生电流的微观输运理论，包含电子和空穴的贡献。
• 理论模型引入速度算符、电场耦合以及辐射引起的分布函数扰动，推导出包含 E₀、v、τ 和 f₀(0) 的电流表达式。
• 推导出的电流公式（公式 43）预测了 ∝ sin(2φ) 和 sin(4φ) 的角度依赖性，与实验中手性与偏振依赖性的结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在圆偏振太赫兹辐射下，石墨烯中手性驱动光生电流的物理机制是什么？
• RQ2 尽管理想石墨烯晶格具有反演对称性，为何光生电流在正入射时仍能持续存在？
• RQ3 边缘效应如何在有限尺寸石墨烯样品中贡献光生电流的产生？
• RQ4 观测到的光生电流对入射辐射偏振态（圆偏振与线性偏振）的依赖性源于何种机制？
• RQ5 光生电流的角依赖性（φ 和 α）如何反映其背后的对称性破缺机制？

主要发现

• 在单层石墨烯中，圆偏振太赫兹辐射在正入射和斜入射条件下均观测到手性驱动的光生电流，且电流方向在手性反转时发生反向。
• 在斜入射时，电流源于体相圆偏振光拖曳效应，光子将线性动量和角动量同时传递给载流子，电流为入射角的奇函数。
• 在正入射时，电流归因于边缘效应引起的对称性破缺，电流为入射角的偶函数，且在正入射时达到最大值。
• 边缘光致电导效应可产生手性依赖性和线性偏振依赖性的光生电流，其角度依赖性与理论预测的 ∝ sin(2φ) 和 sin(4φ) 一致。
• 基于弛豫时间近似的玻尔兹曼方程的理论模型成功解释了实验数据，包括由边缘取向引起的 φ 依赖性相位偏移。
• 总边缘光生电流与 [2f₀(0) - 1] 成正比，表明电子和空穴均对电流有贡献，且电流符号取决于费米能级的位置。