[论文解读] Theory of magnetoelectric photocurrent generated by direct interband transitions in semiconductor quantum well

Hai‐Zhou Lu, Bin Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 41被引用 3

一句话总结

本文提出了一套理论框架，用于解释在线性偏振光驱动下，通过直接带间跃迁在半导体量子阱中产生的磁电光致电流。利用密度矩阵形式，研究显示k空间中光激发载流子密度的各向异性可解释电流对磁场和偏振的依赖性，并推导出一个定量估计，通过动能与Zeeman能之比，将不可探测的零场纯自旋光致电流与可测量的磁电光致电流联系起来。

ABSTRACT

A linearly polarized light normally incident on a semiconductor quantum well with spin-orbit coupling may generate pure spin current via direct interband optical transition. An electric photocurrent can be extracted from the pure spin current when an in-plane magnetic field is applied, which has been recently observed in the InGaAs/InAlAs quantum well [Dai et al., Phys. Rev. Lett. 104, 246601 (2010)]. Here we present a theoretical study of this magnetoelectric photocurrent effect associated with the interband transition. By employing the density matrix formalism, we show that the photoexcited carrier density has an anisotropic distribution in k space, strongly dependent on the orientation of the electron wavevector and the polarization of the light. This anisotropy provides an intuitive picture of the observed dependence of the photocurrent on the magnetic field and the polarization of the light. We also show that the ratio of the pure spin photocurrent to the magnetoelectric photocurrent is approximately equal to the ratio of the kinetic energy to the Zeeman energy, which enables us to estimate the magnitude of the pure spin photocurrent. The photocurrent density calculated with the help of an anisotropic Rashba model and the Kohn-Luttinger model can produce all three terms in the fitting formula for measured current, with comparable order of magnitude, but discrepancies are still present and further investigation is needed.

研究动机与目标

• 为最近在InGaAs/InAlAs量子阱中观测到的磁电光致电流提供微观解释。
• 阐明光电流对平面内磁场和光偏振依赖性的起源。
• 建立实验可测量的磁电光致电流与不可探测的零场纯自旋光电流之间的定量联系。
• 通过各向异性Rashba和Kohn-Luttinger有效质量哈密顿量验证理论模型。

提出的方法

• 应用密度矩阵形式推导半导体量子阱中带间光学跃迁的计算。
• 采用一个最小有效哈密顿量，结合各向异性Rashba自旋-轨道耦合与价带的Kohn-Luttinger模型。
• 计算k空间中光激发载流子密度分布，揭示其依赖于光偏振和电子波矢方向的各向异性。
• 利用线性响应理论，从各向异性载流子分布推导光电流密度。
• 使用真实参数进行数值计算，与实验拟合公式进行比较。
• 提出一种方法，通过动能与Zeeman能之比，从测量得到的磁电光致电流估算零场纯自旋光电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种微观机制可解释磁电光致电流对平面内磁场和光偏振的观测依赖性？
• RQ2 为何当磁场平行于量子阱平面时，磁电光致电流仍能持续存在，这与朴素的对称性预期相悖？
• RQ3 如何从实验可测量的磁电光致电流估算零场纯自旋光电流的大小？
• RQ4 各向异性Rashba与Kohn-Luttinger模型在多大程度上能定量再现实验光电流数据？

主要发现

• k空间中光激发载流子的各向异性分布为电流对磁场和偏振的依赖性提供了直接的微观解释。
• 纯自旋光电流与磁电光电流之比近似等于动能与Zeeman能之比，从而可估算不可探测的自旋电流。
• 使用各向异性Rashba与Kohn-Luttinger模型进行的数值计算，再现了实验拟合公式中的全部三项，且各项量级相当。
• 计算得到的光电流密度与实验值量级相当，尽管仍存在一些偏差。
• 该模型成功通过k空间各向异性解释了磁场平行时仍存在光电流的非直观现象。
• 该理论框架为在直接探测不可行的系统中估算纯自旋光电流提供了预测性工具。