[论文解读] Ultrafast electronic heat dissipation through surface-to-bulk Coulomb coupling in quantum materials

Alessandro Principi, Klaas‐Jan Tielrooij|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型超快电子冷却机制——库仑冷却，即在量子材料（如拓扑绝缘体或小带隙基底上的石墨烯）的热表面狄拉克费米子通过近场库仑耦合向三维体电子库散热，实现亚皮秒级冷却。该机制由于通过非延迟库仑相互作用高效地将能量传递给体内的粒子-空穴激发，其冷却速度显著快于声子介导的冷却。

ABSTRACT

The timescale of electronic cooling is an important parameter controlling the performance of devices based on quantum materials for optoelectronic, thermoelectric and thermal management applications. In most conventional materials, cooling proceeds via the emission of phonons, a relatively slow process that can bottleneck the carrier relaxation dynamics, thus degrading the device performance. Here we present the theory of near-field radiative heat transfer, that occurs when a two-dimensional electron system is coupled via the non-retarded Coulomb interaction to a three-dimensional bulk that can behave as a very efficient electronic heat sink. We apply our theory to study the cooling dynamics of surface states of three dimensional topological insulators, and of graphene in proximity to small-gap bulk materials. The ``Coulomb cooling'' we introduce is alternative to the conventional phonon-mediated cooling, can be very efficient and dominate the cooling dynamics under certain circumstances. We show that this cooling mechanism can lead to a sub-picosecond time scale, significantly faster than the cooling dynamics normally observed in Dirac materials.

研究动机与目标

• 解释在三维拓扑绝缘体表面态中观察到的异常快速电子冷却现象，其冷却速度超过体载流子或石墨烯中的冷却速度。
• 提出一种替代声子介导冷却的机制，该机制通过直接电子耦合而非晶格振动实现。
• 证明通过库仑相互作用的近场辐射传热可在量子材料中主导弛豫动力学。
• 量化在石墨烯与小带隙半导体等实际系统中该冷却机制的效率和时间尺度。

提出的方法

• 基于表面狄拉克费米子与三维带隙体通过非延迟库仑相互作用耦合的动能方程，建立理论框架。
• 将系统建模为二维无质量狄拉克费米子系统（如石墨烯或拓扑绝缘体表面），邻近具有带隙的三维电子库。
• 利用线性响应理论和涨落-耗散定理，计算能量从表面向体的转移速率。
• 通过体态的谱函数和表面电子分布计算散热速率。
• 考虑非延迟库仑相互作用（在短距离下有效），以描述近场耦合。
• 通过将理论预测的冷却时间尺度与拓扑绝缘体的实验数据对比，验证该机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在相同激发条件下，三维拓扑绝缘体表面电子的冷却速度超过体电子或石墨烯？
• RQ2 宏观三维体电子库能否作为二维狄拉克费米子的高效热汇？
• RQ3 与声子介导冷却相比，通过库仑耦合的散热时间尺度是多少？
• RQ4 在何种条件下库仑冷却会主导传统弛豫机制？

主要发现

• 库仑冷却可实现亚皮秒级电子弛豫，显著快于石墨烯中因声子瓶颈导致的皮秒量级冷却。
• 在实际条件下，库仑耦合的冷却速率可比声子介导冷却快一个数量级。
• 该机制依赖于表面狄拉克费米子与体粒子-空穴激发之间的近场库仑耦合，而非声子。
• 当体材料具有小带隙且费米能级附近态密度较高时，冷却效率达到最大。
• 该理论解释了拓扑绝缘体表面态中约300 fs冷却的实验观测结果，仅靠电子-声子耦合无法解释。
• 所提出的机制具有普适性，适用于任何二维狄拉克系统（如石墨烯）与小带隙三维材料相邻的情况。