[论文解读] Spin-dependent photogalvanic effects (A Review)

E. L. Ivchenko, Sergey Ganichev|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Photonic Crystals and Applications被引用 5

一句话总结

本综述综合了自旋依赖的光电致伏打效应在理论与实验方面的进展，详细阐述了圆偏振光如何通过非中心对称半导体中的旋光对称性产生自旋极化的电流。该综述确立了光电致伏打测量作为探测低维体系中自旋动力学、能带结构及拓扑性质的强大工具，包括拓扑绝缘体和外尔半金属。

ABSTRACT

In this paper we review both theoretical and experimental studies on spin-related photogalvanic effects. A short phenomenological introduction is followed by the discussion of the circular photogalvanic effect, the direct and inverse spin-galvanic effects and the trembling motion of spin-polarized electrons. Then we consider the pure spin currents and magneto-gyrotropic photocurrents. Finally, we discuss the spin-dependent photocurrents in topological insulators and Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 统一理解在多种低维半导体体系中自旋相关的光电致伏打效应的理论与实验进展。
• 确立光电致伏打测量作为探测自旋依赖输运与光学性质（包括对称性确定与拓扑不变量）的手段。
• 探索非中心对称与拓扑材料中自旋极化、电流与外场之间的相互作用。
• 识别未来实验探索中非微扰与时间分辨区域的关键挑战。

提出的方法

• 基于极化与轴矢量通过二阶与四阶张量（γ, Q, R, Φ）耦合的唯象场论，描述自旋-光电致伏打效应。
• 应用群论将张量分量与晶系点群对称性关联，特别是缺乏反演对称性的旋光类。
• 通过手性依赖的光学激发，推导圆极化光电致伏打效应（j ∝ P_c γ·n）、自旋-伏打效应（j ∝ Q·S）与逆自旋-伏打效应（S ∝ R·j）的关键方程。
• 通过自旋流密度 q_λμ 引入纯自旋光电致伏打电流，并分析其在量子阱与量子线中的对称性约束。
• 分析磁质旋光光电致伏打效应（j ∝ Φ·B），在 C2v 对称性体系中显示与 B 线性依赖及 |E|² 的关系。
• 将分析扩展至拓扑材料，包括拓扑绝缘体的表面态与外尔半金属中的手征费米子，采用有效哈密顿量与基于对称性的选择规则。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋依赖的光电致伏打效应如何源于半导体中光学激发与反演对称性破缺的相互作用？
• RQ2 旋光性在非中心对称体系中如何实现自旋极化与电流之间的耦合？
• RQ3 光电致伏打测量如何用于确定低维异质结构的点群对称性？
• RQ4 拓扑表面态与外尔费米子在自旋-光电致伏打响应中的特征表现为何？
• RQ5 在强光或超短光脉冲激发下，非微扰与时间分辨现象如何显现？

主要发现

• 圆极化光电致伏打效应产生手性依赖的电流 j ∝ P_c γ·n，其方向在圆偏振态反转时发生反转，已在 GaAs 量子阱中得到证实。
• 自旋-伏打效应产生与非平衡自旋极化成正比的电流 j_λ = Q_λμ S_μ，其逆效应可实现电流诱导的自旋极化。
• 纯自旋光电致伏打电流由自旋流密度 q_λμ 描述，其非零分量由系统对称性决定，并在量子线中实现量化。
• 磁质旋光光电致伏打电流在磁场中线性依赖，C2v 对称性下 j_x 与 j_y 分别正比于 S_xx B_x + S_xy B_y 与 −(S_xx B_y + S_xy B_x)。
• 光电致伏打张量分量（γ, Q, R, Φ）完全由空间与时间反演对称性决定，使实验数据可直接用于对称性识别。
• 使用飞秒脉冲的时间分辨测量可分离光电致伏打电流中的弹道、位移、自旋与轨道贡献，揭示载流子弛豫动力学。