在太赫茲偏置半導體中，圓偏振光產生橫向電流的現象

核心概念

本研究揭示了在偏置砷化鎵半導體中，圓偏振光誘發橫向電流的兩種主要機制：場致圓形光電流效應 (FI-CPGE) 和光致逆自旋霍爾效應 (LI-ISHE)，並透過二維傅立葉分析成功區分了這兩種效應。

摘要

文獻資訊

Fujimoto, T., Murotani, Y., Tamaya, T., Kurihara, T., Kanda, N., Kim, C., Yoshinobu, J., Akiyama, H., Kato, T., & Matsunaga, R. (2024). Transverse Current Generation by Circularly Polarized Light in Terahertz-Biased Semiconductor. Physical Review Letters, 132(1), 016301.

研究目標

本研究旨在探討圓偏振光在偏置半導體砷化鎵中誘發橫向電流的微觀機制，並區分兩種主要貢獻：場致圓形光電流效應 (FI-CPGE) 和光致逆自旋霍爾效應 (LI-ISHE)。

研究方法

研究人員利用圓偏振近紅外光脈衝激發砷化鎵樣品，並使用太赫茲法拉第探測技術測量樣品中的橫向電流。透過二維傅立葉分析，他們成功地區分了 LI-ISHE 和 FI-CPGE 對橫向電流的貢獻。

主要發現

• 研究發現，在較弱的激發強度下，LI-ISHE 佔主導地位，而在較強的激發強度下，FI-CPGE 則成為主要貢獻。
• 儘管太赫茲光譜的特性會抑制 FI-CPGE 的探測效率，但當光躍遷涉及簡併能帶結構時，FI-CPGE 的信號仍然可以非常強。
• LI-ISHE 和 FI-CPGE 都在帶隙附近顯著增強，但 FI-CPGE 的峰值能量略高於 LI-ISHE。

主要結論

本研究結果表明，LI-ISHE 和 FI-CPGE 是圓偏振光在偏置砷化鎵中誘發橫向電流的兩種主要機制。透過二維傅立葉分析，可以有效地區分這兩種效應。此外，FI-CPGE 在帶隙附近的增強現象表明，它在光致反常霍爾效應中扮演著不可忽視的角色，尤其是在接觸式測量中。

研究意義

本研究為理解圓偏振光誘發反常霍爾效應和螺旋相關光伏霍爾效應提供了新的見解，並為研究中心對稱材料中的單極電荷開闢了新的途徑。

研究限制與未來方向

本研究主要集中在砷化鎵材料上，未來可以進一步探討其他半導體材料中的 LI-ISHE 和 FI-CPGE 現象。此外，可以開發更先進的實驗技術，以提高 FI-CPGE 的探測效率。

統計資料

研究中使用的砷化鎵樣品厚度為 1.0 微米。
近紅外圓偏振光脈衝的能量在 1.38 電子伏特到 1.56 電子伏特之間可調。
太赫茲探測脈衝的中心頻率為 1.2 太赫茲。

引述

"This work presents a comprehensive understanding of the origins of the CPL-induced anomalous Hall current and develops a procedure to probe the band degeneracy point and the dispersion relation around it away from the Fermi level."
"Our results open a new pathway for investigating the monopole charges hidden in centrosymmetric materials."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Transverse Current Generation by Circularly Polarized Light in Terahertz-Biased Semiconductor

by Tomohiro Fuj... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00528.pdf

深入探究

這項研究的結果如何應用於開發新型光電器件，例如太陽能電池和光電探測器？

這項研究深入探討了圓偏振光在半導體材料中產生橫向電流的機制，特別是場致圓形光電流效應 (FI-CPGE) 的貢獻。FI-CPGE 是一種非線性光學效應，它可以有效地在有偏壓的材料中產生電流，並且在接近能帶邊緣時會被共振增強。
這些發現對於開發新型光電器件具有以下潛在應用價值：

提高太陽能電池效率： FI-CPGE 可以利用太陽光譜中能量較低的光子，這些光子通常難以被傳統太陽能電池有效吸收。通過設計具有適當能帶結構和偏壓的材料，可以利用 FI-CPGE 效應更有效地收集和轉換太陽能，從而提高太陽能電池的整體效率。
開發高靈敏度光電探測器： 由於 FI-CPGE 在能帶邊緣附近被共振增強，因此基於此效應的光電探測器可以具有更高的靈敏度和更快的響應速度。這對於弱光探測和高速光通訊等應用至關重要。
實現新型光控元件： FI-CPGE 的方向和強度可以通過改變圓偏振光的偏振狀態和偏壓來控制。這為開發新型光控元件，例如光控開關和調製器，提供了可能性。
總之，這項研究對於理解和利用非線性光學效應以開發更高效、更靈敏的光電器件具有重要意義。

如果使用線性偏振光代替圓偏振光，實驗結果會如何變化？

如果使用線性偏振光代替圓偏振光，則不會觀察到場致圓形光電流效應 (FI-CPGE) 和光致逆自旋霍爾效應 (LI-ISHE)。這是因為：

FI-CPGE 的產生機制： FI-CPGE 是一種依賴於圓偏振光螺旋性的效應。當圓偏振光照射在有偏壓的材料上時，光子的角動量會轉移到電子，導致電子產生橫向運動，形成橫向電流。而線性偏振光不具有螺旋性，因此無法產生這種效應。
LI-ISHE 的產生機制： LI-ISHE 依赖于自旋极化的载流子。圆偏振光可以激发具有特定自旋方向的载流子，这些载流子在材料中运动时会受到自旋霍尔效应的影响，产生横向电荷积累和横向电流。而线性偏振光激发的载流子自旋方向是随机的，因此不会产生净自旋积累和 LI-ISHE。
因此，如果使用線性偏振光，實驗中觀察到的橫向電流信號將會消失或顯著減弱。

能否利用其他光學技術，例如二次諧波產生，來探測中心對稱材料中的單極電荷？

是的，除了二次諧波產生之外，其他非線性光學技術也可以用於探測中心對稱材料中的單極電荷。這些技術包括：

三次諧波產生 (THG)： 與二次諧波產生類似，THG 也是一種非線性光學效應，但它涉及三個光子的相互作用。在具有單極電荷的材料中，THG 信號會表現出與晶體取向和入射光偏振相關的獨特模式，從而揭示單極電荷的存在和分布。
和頻產生 (SFG) 和差頻產生 (DFG)： SFG 和 DFG 涉及兩種不同頻率的光子相互作用，產生第三種頻率的光子。這些技術對於探測材料表面的單極電荷特別敏感，因為表面通常缺乏反演對稱性。
非線性光學旋轉 (OR)： OR 描述了材料的折射率對光強度的依賴性。在具有單極電荷的材料中，OR 可以表現出與單極電荷分布相關的獨特空間變化。
需要注意的是，這些非線性光學技術的靈敏度和適用性取决于具体的材料体系和单极电荷的性质。在某些情况下，可能需要结合多种技术才能获得对单极电荷的全面理解。
总而言之，非线性光学技术为探测中心对称材料中的单极电荷提供了强大的工具。通过分析不同非线性光学过程的信号特征，可以揭示单极电荷的存在、分布和性质，从而加深对材料拓扑性质的理解。