马里兰大学mohammad hafezi和glenn s. solomon课题组--量子霍尔体系中石墨烯中热载流子的手性输运

光电流(PC)测量能够揭示超出传统输运实验线性响应的光激发热载流子的弛豫动力学。在这里，我们通过精确测量 PC 信号和建立光学布洛赫方程来研究石墨烯中载流子的弛豫。我们的研究结果导致了对不同磁场强度下石墨烯弛豫过程的统一理解，这种弛豫过程受库仑相互作用以及与声学和光学声子相互作用的控制。我们的数据提供了一个相当大的载波倍增的清晰迹象。此外，光子晶体的振荡模式和饱和行为不仅反映了载流子在量子霍尔区的手征输运性质，而且反映了量子霍尔效应在狄拉克点处的手征变化，这是相对论量子霍尔效应的一个特征。

图1. PC 机的设置和空间轮廓示意图。(a)设置的示意图，说明 PC 是沿着 x 方向(灰色箭头)的样品中心线作为位置和栅极电压的函数进行测量的。在 + B 和-B 处测量 PC，减去两个相反场的 PC，以分离出对 PC 的贡献，这取决于 B 场的方向，绘制在(b)中，B = 4.5 T。独立于 B 方向的贡献要弱得多。(b)测量 PC 作为 x 位置和栅极电压的函数。在边缘观察到显著的 PC 振荡(位于 x = ± 4.5 μm) ，而 PC 在体积上是最小的(位于 x = 0μm 左右)。这表明，PC 主要归因于边缘状态。(c)作为栅极电压函数的 PC 边缘的切割。位于高 LLs 的 PC 的零与 LLs 的均匀填充(忽略自旋)匹配(系统地显示在图2a 中)。两边的 PC 振荡具有相反的极性，说明 PC 振荡与边上载流子的手征输运有关。

图2.边缘上PC的磁场依赖性。(a)绘制了作为场强和栅极电压的函数的顶部样品边缘上的PC，显示了PC的朗道扇。使用的激励功率为1 μW。白色虚线是从传输风扇中提取的LLs(忽略旋转)的偶数填充物.当EF扫描时，每个LL(第0个除外)都会产生一个正的和一个负的PC峰值。(b)在9 T的高场下各种泵浦功率的PC切割，按图例中给定的因子缩放。振荡的形状表明，偶数填充物(黑色虚线箭头)的极性变化比奇数填充物(黑色实线箭头)的极性变化更平滑。我们还看到在狄拉克点有一个显著的下降，这是由于EF= 0时有效的载流子弛豫。(c)在3 T的低磁场下，对于各种泵浦功率，PC的切割(通过图例中所示的因子垂直缩放)。基于测量和模拟，具有更大包络的一侧(负侧)归因于多数载流子，而另一侧(正侧)归因于少数载流子，如(b，c)中所标记的。对于高LLs，缩放后的PC切割重叠良好，但不在狄拉克点附近，这表明PC功率与LLs的相关性不均匀。此外，我们对源自同一LL的两个PC峰值的绝对值求和，并在(c)的插图中绘制为LL指数的函数。该图显示了黄色和蓝色阴影的两个区域，其中蓝色区域比黄色区域具有更大的斜率，表明不同的机制，与我们的模型一致。误差线比标记小。

图3.PC 在不同低频段的功率饱和特性。(a)作为3.5 T 光功率的函数，在多数载波侧的各种 LL 上归一化的 PC。我们观察到 LL-1的 PC 饱和迹象很小，而对于指数较大的 LL (LL_-4和 LL_-11) ，PC 更容易饱和。对这种效应最大的贡献是来自狄拉克点上方或下方的载流子(电子和空穴)。由于弛豫速率差(弛豫瓶颈)的限制，PC 与热电子数和空穴数的减少成正比。相反，对于低 LLs，PC 是作为两者总体的和给出的。相比之下，在9T 的高场下，如插图所示，几乎没有饱和的迹象。(a)中的错误栏比标记小。(b)将(a)中所示数据的饱和功率 P0作为相应 LL 索引的函数进行拟合。对于高 LLs，P0保持平坦(灰色虚线作为眼睛的指南) ，这是 EFat 不同高 LLs 在相同功率下饱和的松弛瓶颈的结果。误差线代表了配件95% 的置信度。

图4.PC 机的建模与仿真。(a)模拟有和没有库仑相互作用的 PC 作为栅极电压的函数。具有库仑相互作用的模拟 PC 与图2b 所示的9 T 处测量的 PC 相匹配，而没有库仑相互作用的模拟则不匹配，这表明库伦相互作用在 PC 中的重要性。特别是在没有库仑相互作用的情况下，模拟的 PC 随着离开狄拉克点的栅电压的降低而降低，而在库仑情况下则出现相反的趋势，这与图2b 中的观察结果相吻合。此外，与库仑相互作用的模拟在离狄拉克点远的正 PC 峰和负 PC 峰之间具有不对称性，这与图2b 中所示的数据很好地匹配，而没有库仑相互作用的模拟则不是这样。此外，不对称的 LL PC 峰形也与观测值相匹配(见图2b 中的箭头)。(b)激发和载流子在低频段上的弛豫的说明。选择规则允许载流子在 LLs-n 和 n ± 1,-n ± 1和 n 之间的光激发。根据 EF，被激发的电子和空穴可以放松到狄拉克点的同一侧。这些电子和空穴具有相同的边缘手征性(例如，狄拉克点上方的空穴，橙色的空心圆，以及电子，蓝色的实心点) ，因此产生了 PC 的破坏性部分。(c，d)在狄拉克点的同一侧具有相同边手征性的电子和空穴的图示，给出了一个破坏性的 PC。(e，f)狄拉克点不同侧面的电子和空穴的图示，它们具有相反的边手征性，给出一个构造性的 PC。

相关科研成果由马里兰大学Mohammad Hafezi和Glenn S. Solomon等人于2022年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05502）上。原文：Chiral Transport of Hot Carriers in Graphene in the Quantum Hall Regime。