[论文解读] Resonant inversion of circular photogalvanic effect in n-doped quantum wells,

Sergey Ganichev, Vassilij Belkov+7 more|University of Regensburg Publication Server (University of Regensburg)|Jan 1, 2003

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

本研究通过圆偏振光下的直接子能级间跃迁，在n型掺杂GaAs量子阱中实现了圆光电流效应（CPGE）的共振反转。由于k线性自旋轨道耦合、能量/动量守恒以及光学选择定则，自旋驱动的光电流在共振时符号发生反转，为零磁场下自旋分裂子能级提供了直接证据。

ABSTRACT

We show that the sign of the circular photogalvanic effect can be changed by tuning the radiation frequency of circularly polarized light. Here resonant inversion of the photogalvanic effect has been observed for direct inter-subband transition in n-type GaAs quantum well structures. This inversion of the photon helicity driven current is a direct consequence of the lifting of the spin degeneracy due to k-linear terms in the Hamiltonian in combination with energy and momentum conservation and optical selection rules.

研究动机与目标

• 研究n型掺杂GaAs量子阱中通过直接子能级间跃迁产生的自旋光电流效应。
• 探讨k线性自旋轨道耦合在产生手性依赖光电流中的作用。
• 证明通过调节光子能量接近共振，可实现圆光电流符号的反转。
• 为零磁场下由结构反演（Rashba）和体反演（Dresselhaus）不对称性引起的k空间中自旋分裂提供实验与理论证据。
• 利用共振CPGE作为探测工具，将自旋敏感探测技术扩展至n型量子阱，用于测量电子自旋弛豫时间。

提出的方法

• 使用可调谐TEA-CO2激光器，在114至135 meV的光子能量范围内激发n-GaAs/AlGaAs量子阱，匹配e1–e2子能级跃迁。
• 通过菲涅尔菱形棱镜产生圆偏振光（σ+和σ−），诱导手性依赖的光电流。
• 利用存储示波器测量负载电阻（50 Ω）上的电压降以获取光电流，信号与激光脉冲同步。
• 进行傅里叶变换红外（FTIR）透射测量，将吸收光谱与光电流响应相关联。
• 理论建模采用包含Dresselhaus（BIA）和Rashba（SIA）项的k线性有效哈密顿量描述自旋分裂：H₁ᵏ = βₓᵧσₓkᵧ + βᵧₓσᵧkₓ。
• 推导出具有C₂ᵥ对称性的光电流表达式（式20）：jₓ ∝ (β²ᵧₓ − β¹ᵧₓ) × [τᵖ²η⊥(ħω) + (τᵖ¹ − τᵖ²)ħω dη⊥/dħω]，将电流与子能级自旋分裂及吸收导数关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过调节n型掺杂量子阱中的光子能量，实现圆光电流效应符号的反转？
• RQ2 k线性自旋轨道耦合在直接子能级间跃迁中生成手性依赖光电流的作用是什么？
• RQ3 结构反演（Rashba）与体反演（Dresselhaus）不对称性在零磁场下对子能级自旋分裂的贡献如何？
• RQ4 为何光电流在吸收峰处消失？这与子能级中动量弛豫时间的关系是什么？
• RQ5 共振CPGE能否作为n型量子阱中电子自旋弛豫动力学的探测工具？

主要发现

• 在n-GaAs量子阱中，当光子能量扫过e1–e2子能级间跃迁共振时，圆光电流效应表现出光电流符号的共振反转。
• 观测到的电流反转归因于k线性自旋轨道耦合以及光电流对吸收的导数依赖性，如式(20)所述。
• 在C₂ᵥ对称性下，当τᵖ² ≪ τᵖ¹时，光电流在吸收峰处消失，表明上层子能级的动量弛豫远快于下层子能级。
• 理论建模证实，CPGE电流与子能级间自旋分裂之差（β²ᵧₓ − β¹ᵧₓ）成正比，解释了当子能级自旋分裂相等时电流消失的现象。
• 在Cₛ对称性下，电流依赖于自旋分裂之和，即使β²ᵧₓ = β¹ᵧₓ，也能产生非零信号，这与C₂ᵥ系统不同。
• 结果为零磁场下由自旋轨道耦合引起的k空间中自旋分裂子能级提供了直接实验证据，为探测n型半导体中电子自旋动力学开辟了新方法。