[论文解读] Reconstruction of Bloch wavefunctions of holes in a semiconductor

Joseph B. Costello, Seamus O’Hara+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种通过激光和太赫兹场驱动的高阶边带生成，实验重建砷化镓中空穴的布洛赫波函数的方法。通过测量边带的偏振态并应用量子干涉理论，作者将波函数可视化在球面上，为探测直接带隙半导体和绝缘体中的低能电子态提供了新途径。

ABSTRACT

A central goal of condensed-matter physics is to understand how the diverse electronic and optical properties of crystalline materials emerge from the wavelike motion of electrons through periodically arranged atoms. However, more than 90 years after Bloch derived the functional forms of electronic waves in crystals [1] (now known as Bloch wavefunctions), rapid scattering processes have so far prevented their direct experimental reconstruction. In high-order sideband generation [2-9], electrons and holes generated in semiconductors by a near-infrared laser are accelerated to a high kinetic energy by a strong terahertz field, and recollide to emit near-infrared sidebands before they are scattered. Here we reconstruct the Bloch wavefunctions of two types of hole in gallium arsenide at wavelengths much longer than the spacing between atoms by experimentally measuring sideband polarizations and introducing an elegant theory that ties those polarizations to quantum interference between different recollision pathways. These Bloch wavefunctions are compactly visualized on the surface of a sphere. High-order sideband generation can, in principle, be observed from any direct-gap semiconductor or insulator. We thus expect that the method introduced here can be used to reconstruct low-energy Bloch wavefunctions in many of these materials, enabling important insights into the origin and engineering of the electronic and optical properties of condensed matter.

研究动机与目标

• 为克服长期以来由于快速散射导致晶体中布洛赫波函数实验重建困难的挑战。
• 开发一种可直接实验获取半导体中空穴量子力学波函数的方法。
• 建立一种可推广的技术，适用于直接带隙半导体和绝缘体，以探测低能电子态。
• 将实验可测的边带偏振与光激发载流子不同再碰撞路径之间的量子干涉联系起来。
• 利用球面表面以紧凑且直观的几何形式可视化重建的布洛赫波函数。

提出的方法

• 在砷化镓中利用高阶边带生成（HSG），其中近红外激光脉冲激发电子-空穴对。
• 施加强太赫兹场以加速光激发的载流子，导致再碰撞并发射近红外边带。
• 将发射边带的偏振态作为关键实验可观测量，其与空穴波函数的对称性和相位密切相关。
• 基于多个再碰撞路径之间的量子干涉，构建理论框架，将边带偏振与空穴布洛赫波函数的复振幅关联起来。
• 采用布洛赫球面上的几何表示法，以紧凑方式可视化GaAs中两种不同空穴类型的重建波函数。
• 将该方法推广至任何可观察到HSG的直接带隙半导体或绝缘体，实现广泛适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在快速散射过程，是否能够实验重建半导体中空穴的布洛赫波函数？
• RQ2 高阶边带的偏振态如何编码光激发空穴的量子力学波函数信息？
• RQ3 不同再碰撞路径之间的量子干涉在决定可测量边带偏振中起什么作用？
• RQ4 是否可以以几何且物理直观的方式可视化重建的空穴波函数？
• RQ5 该方法在多大程度上可推广至其他直接带隙半导体和绝缘体？

主要发现

• 作者成功利用实验测得的边带偏振态，重建了砷化镓中两种不同空穴类型的布洛赫波函数。
• 重建的波函数以球面上的点进行可视化，为它们的量子态提供了几何且直观的表示。
• 该方法依赖于多个再碰撞路径之间的量子干涉，该干涉决定了发射边带的偏振。
• 该技术适用于任何可观察到高阶边带生成的直接带隙半导体或绝缘体。
• 结果表明，由于散射而长期无法获取的布洛赫波函数，可通过超快激光激发与偏振分析相结合的方法实现实验探测。
• 该方法为从基本波函数层面研究凝聚态材料中电子与光学性质的起源与调控开辟了新途径。