ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ БЕЗ ЦЕНТРА ИНВЕРСИИ С

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ БЕЗ ЦЕНТРА ИНВЕРСИИ С. А. Тарасенко Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе • Введение. Системы без центра пространственной инверсии • Фотогальванические эффекты в двумерных системах • линейный фотогальванический эффект • циркулярный фотогальванический эффект • Спиновые фототоки без переноса заряда • Орбитально-долинные и электрические фототоки в графене Конференция фонда «Династия» , 16 апреля 2010

ЛИНЕЙНЫЙ ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ j Электрическое поле E Уравнение для дрейфовой скорости электронов (подход Друде) время релаксации скорости (импульса) Электрический ток

РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ Рассеяние на статических дефектах, фононах и т. д. p’ Wp’ p – вероятность рассеяния в единицу времени p (i) Симметрия к инверсии времени (ii) Симметрия к инверсии пространства Принцип детального равновесия

СРЕДЫ БЕЗ ЦЕНТРА ИНВЕРСИИ S Кристаллическая решетка цинковой обманки (Zn. S, Ga. As, …), точечная группа Td Zn Нарушение принципа детального равновесия: (a) p’ (b) p p’’ p’ p Спин-зависимая асимметрия рассеяния (гиротропные среды)

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ Электрическое поле волны E(t) j A E 0 – амплитуда q – волновой вектор ω – частота J Стационарный фототок эффекты увлечения, ~q фотогальванические эффекты Обнаружение: Li. Nb. O 3: Fe A. M. Glass, D. von der Linde, T. J. Negran, APL (1974)

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ Поляризационная зависимость фототока линейный ФГЭ ~ Pcirc циркулярный ФГЭ (пьезоэлектрики) (гиротропные среды) Е. Л. Ивченко, Г. Е. Пикус, 1978 В. И. Белиничер, 1978

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ Поляризационная зависимость фототока линейный ФГЭ ~ Pcirc циркулярный ФГЭ (пьезоэлектрики) (гиротропные среды) Е. Л. Ивченко, Г. Е. Пикус, 1978 В. И. Белиничер, 1978 Полупроводниковые квантовые ямы без центра инверсии Aсимметричные ямы e 2 e 1 Кристалл без центра инверсии Анизотропия связей на интерфейсах e 2 e 1

МЕХАНИЧЕСКАЯ АНАЛОГИЯ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ Кривошипно-шатунный механизм, храповик, колесо, винт и т. д. Леонардо да Винчи, Вертолет

ЛИНЕЙНЫЙ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Баллистический ток Сдвиговый ток E E p j асимметричное рассеяние на примесях и фононах ri j rf сдвиг электрона в r пространстве при оптическом переходе В. И. Белиничер, И. Ф. Канаев, В. К. Малиновский, Б. И. Стурман, Автометрия (1976) Э. М. Баскин, Л. И. Магарилл, М. В. Энтин, ФТТ (1978)

ЦИРКУЛЯРНЫЙ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ – фототок, обусловленный передачей углового момента фотонов подвижным носителям заряда Pcirc e 2 ħω j геометрия эксперимента e 1 z оптические переходы внутри подзоны размерного квантования

ВНУТРИПОДЗОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Внутриподзонные оптические переходы ε e 2 e 1 0

ВНУТРИПОДЗОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Промежуточное состояние в e 1 Внутриподзонные оптические переходы ε e 2 e 1 0 ε e 1 v ε e 2 v e 1

ВНУТРИПОДЗОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Промежуточное состояние в e 1 Внутриподзонные оптические переходы ε ε e 2 e 1 v e 2 v e 1 v Промежуточное состояние в e 2 ε 0 ε e 2 v ε v e 2 v e 1

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦФГЭ Интерференция вкладов в поглощение света ε e 2 e 1 2 ε ε e 2 + = v v e 1 2 e 2 v e 1 0 Вероятность оптического перехода интерференционный вклад С. А. Тарасенко, Письма в ЖЭТФ (2007)

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЦФГЭ Интерференция вкладов в поглощение света ε e 2 j e 1 2 ε ε e 2 + = v v e 1 2 e 2 v e 1 0 Вероятность оптического перехода интерференционный вклад С. А. Тарасенко, Письма в ЖЭТФ (2007)

ЭКСПЕРИМЕНТ: ПЛАСТИНКА λ/4 Геометрия эксперимента Поляризация света x NH 3 laser λ/4 -plate sample

ЭКСПЕРИМЕНТ: ПЛАСТИНКА λ/4 Геометрия эксперимента Поляризация света x NH 3 laser λ/4 -plate sample Поляризационная зависимость фототока T 2 T 1 x σ+ σ- y

ЭКСПЕРИМЕНТ: ПЛАСТИНКА λ/4 Геометрия эксперимента Поляризация света x NH 3 laser λ/4 -plate sample Поляризационная зависимость фототока Σ sin 2φ T 2 T 1 x sin 4φ σ+ σ- y

ЭКСПЕРИМЕНТ: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ Vg (T = 10 K) ħ =13. 7 me. V ħ =8. 4 me. V 2 D электронный газ на поверхности Si e 2 e 1 EF Vg межподзонный резонанс P. Olbrich, S. A. T. , C. Reitmaier et al. , Phys. Rev. B (R) (2009)

СПЕКТРАЛЬНАЯ ИНВЕРСИЯ ЗНАКА Внутриподзонные переходы ε e 2 e 1 0 Вклад через e 2 Циркулярный фототок ħ =13. 7 me. V ħ =8. 4 me. V

СПИН-ЗАВИСИМОЕ РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ Нулевое магнитное поле Кристаллы с центром инверсии - рассеяние Мотта (skew scattering) - сдвиговый вклад (side-jump) Гиротропные среды BULK: V. I. Belinicher, 1982 E. L. Ivchenko, G. E. Pikus, 1983 2 D SIA: N. S. Averkiev, L. E. Golub, and M. Willander, 2002 2 D BIA: E. L. Ivchenko, S. A. Tarasenko, 2004

СПИНОВЫЕ ТОКИ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ Спин-зависимое рассеяние в гиротропных средах S. D. Ganichev, V. V. Bel’kov, S. A. T. et al. , Nature Phys. (2006)

СПИНОВЫЕ ТОКИ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ -1/2 i-1/2 Спин-зависимое рассеяние в гиротропных средах +1/2 i+1/2 S. D. Ganichev, V. V. Bel’kov, S. A. T. et al. , Nature Phys. (2006)

СПИНОВЫЕ ТОКИ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ -1/2 Спин-зависимое рассеяние в гиротропных средах +1/2 i-1/2 i+1/2 Спиновый ток без переноса заряда i+1/2 i-1/2 S. D. Ganichev, V. V. Bel’kov, S. A. T. et al. , Nature Phys. (2006)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ РАЗБАЛАНСОМ СПИНОВОГО ТОКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ -1/2 E E +1/2 i-1/2 i+1/2 B магнитное поле g B B kx Чисто спиновый ток je Электрический ток kx

ЭКСПЕРИМЕНТ: МАГНИТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ФОТОТОК Геометрия эксперимента THz j B Электрический ток полумагнитные квантовые ямы Cd. Mn. Te/Cd. Mg. Te S. D. Ganichev, S. A. Tarasenko, V. V. Bel’kov et al. , Phys. Rev. Lett. (2009)

МНОГОДОЛИННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ. ГРАФЕН Волновая функция электрона в кристалле n – номер зоны k – волновой вектор

МНОГОДОЛИННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ. ГРАФЕН Волновая функция электрона в кристалле n – номер зоны k – волновой вектор Зона Бриллюэна графена K y K’ Решетка графена E c K K’ x p v K K’ группа D 3 h точечная группа D 6 h

ОРБИТАЛЬНО-ДОЛИННЫЕ ТОКИ В ГРАФЕНЕ Зона Бриллюэна графена K y K’ Ey K’ K Ex x K K’ j (K) Спектр вблизи точки K (нет центра инверсии) Эффективный гамильтониан Фототоки в долинах Л. Е. Голуб, С. А. Тарасенко, “Nanostructures: Physics and Technology” (2010)

ЭФФЕКТ УВЛЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ФОТОНАМИ – фототок, обусловленный передачей импульса фотонов носителям заряда Линейный эффект увлечения E(t) q q|| j. L Циркулярный эффект увлечения E(t) q q|| j. C М. М. Глазов, С. А. Т. , Е. Л. Ивченко и др. , “Nanostructures: Physics and Technology” (2010)

ЭФФЕКТ УВЛЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ФОТОНАМИ – фототок, обусловленный передачей импульса фотонов носителям заряда E(t) q q|| j. L Циркулярный эффект увлечения E(t) q q|| j. C Эксперимент Photocurrent j/I (arb. u. ) Линейный эффект увлечения Θ 0=-25º incidence angle Θ 0=+25º Angle поляризационно-зависимый фототок в структурах графена М. М. Глазов, С. А. Т. , Е. Л. Ивченко и др. , “Nanostructures: Physics and Technology” (2010)

СОТРУДНИЧЕСТВО Е. Л. Ивченко, В. В. Бельков, М. М. Глазов, Л. Е. Голуб, Д. Р. Яковлев * Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе *TU Dortmund Universität, Dortmund, Germany S. D. Ganichev, S. N. Danilov, P. Olbrich, J. Karch, W. Prettl, D. Schuh, W. Wegscheider, J. Eroms, D. Weiss Universität Regensburg, Germany З. Д. Квон Институт физики полупроводников, Новосибирск V. Kolkovsky, W. Zaleszczyk, G. Karczewski, T. Wojtowicz Institute of Physics, Polish Academy of Sciences

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ БЕЗ ЦЕНТРА ИНВЕРСИИ ü Поглощение света в структурах без центра пространственной инверсии приводит к возникновению направленного потока носителей заряда, чувствительного к поляризации возбуждающего излучения ü Продемонстрирована возможность оптической инжекции спиновых токов и орбитально-долинных токов, не сопровождающихся переносом электрического заряда ü В области низких частот электромагнитного поля данные эффекты входят в класс нелинейных транспортных явлений в средах без центра инверсии