光電流(PC)測量能夠揭示超出傳統輸運實驗線性響應的光激發熱載流子的弛豫動力學。在這里，我們通過精確測量 PC 信號和建立光學布洛赫方程來研究石墨烯中載流子的弛豫。我們的研究結果導致了對不同磁場強度下石墨烯弛豫過程的統一理解，這種弛豫過程受庫侖相互作用以及與聲學和光學聲子相互作用的控制。我們的數據提供了一個相當大的載波倍增的清晰跡象。此外，光子晶體的振蕩模式和飽和行為不僅反映了載流子在量子霍爾區的手征輸運性質，而且反映了量子霍爾效應在狄拉克點處的手征變化，這是相對論量子霍爾效應的一個特征。
圖1. PC 機的設置和空間輪廓示意圖。(a)設置的示意圖，說明 PC 是沿著 x 方向(灰色箭頭)的樣品中心線作為位置和柵極電壓的函數進行測量的。在 + B 和-B 處測量 PC，減去兩個相反場的 PC，以分離出對 PC 的貢獻，這取決于 B 場的方向，繪制在(b)中，B = 4.5 T。獨立于 B 方向的貢獻要弱得多。(b)測量 PC 作為 x 位置和柵極電壓的函數。在邊緣觀察到顯著的 PC 振蕩(位于 x = ± 4.5 μm) ，而 PC 在體積上是最小的(位于 x = 0μm 左右)。這表明，PC 主要歸因于邊緣狀態。(c)作為柵極電壓函數的 PC 邊緣的切割。位于高 LLs 的 PC 的零與 LLs 的均勻填充(忽略自旋)匹配(系統地顯示在圖2a 中)。兩邊的 PC 振蕩具有相反的極性，說明 PC 振蕩與邊上載流子的手征輸運有關。
圖2.邊緣上PC的磁場依賴性。(a)繪制了作為場強和柵極電壓的函數的頂部樣品邊緣上的PC，顯示了PC的朗道扇。使用的激勵功率為1 μW。白色虛線是從傳輸風扇中提取的LLs(忽略旋轉)的偶數填充物.當EF掃描時，每個LL(第0個除外)都會產生一個正的和一個負的PC峰值。(b)在9 T的高場下各種泵浦功率的PC切割，按圖例中給定的因子縮放。振蕩的形狀表明，偶數填充物(黑色虛線箭頭)的極性變化比奇數填充物(黑色實線箭頭)的極性變化更平滑。我們還看到在狄拉克點有一個顯著的下降，這是由于EF= 0時有效的載流子弛豫。(c)在3 T的低磁場下，對于各種泵浦功率，PC的切割(通過圖例中所示的因子垂直縮放)。基于測量和模擬，具有更大包絡的一側(負側)歸因于多數載流子，而另一側(正側)歸因于少數載流子，如(b，c)中所標記的。對于高LLs，縮放后的PC切割重疊良好，但不在狄拉克點附近，這表明PC功率與LLs的相關性不均勻。此外，我們對源自同一LL的兩個PC峰值的絕對值求和，并在(c)的插圖中繪制為LL指數的函數。該圖顯示了黃色和藍色陰影的兩個區域，其中藍色區域比黃色區域具有更大的斜率，表明不同的機制，與我們的模型一致。誤差線比標記小。
圖3.PC 在不同低頻段的功率飽和特性。(a)作為3.5 T 光功率的函數，在多數載波側的各種 LL 上歸一化的 PC。我們觀察到 LL-1的 PC 飽和跡象很小，而對于指數較大的 LL (LL
-4和 LL
-11) ，PC 更容易飽和。對這種效應最大的貢獻是來自狄拉克點上方或下方的載流子(電子和空穴)。由于弛豫速率差(弛豫瓶頸)的限制，PC 與熱電子數和空穴數的減少成正比。相反，對于低 LLs，PC 是作為兩者總體的和給出的。相比之下，在9T 的高場下，如插圖所示，幾乎沒有飽和的跡象。(a)中的錯誤欄比標記小。(b)將(a)中所示數據的飽和功率 P0作為相應 LL 索引的函數進行擬合。對于高 LLs，P0保持平坦(灰色虛線作為眼睛的指南) ，這是 EFat 不同高 LLs 在相同功率下飽和的松弛瓶頸的結果。誤差線代表了配件95% 的置信度。
圖4.PC 機的建模與仿真。(a)模擬有和沒有庫侖相互作用的 PC 作為柵極電壓的函數。具有庫侖相互作用的模擬 PC 與圖2b 所示的9 T 處測量的 PC 相匹配，而沒有庫侖相互作用的模擬則不匹配，這表明庫倫相互作用在 PC 中的重要性。特別是在沒有庫侖相互作用的情況下，模擬的 PC 隨著離開狄拉克點的柵電壓的降低而降低，而在庫侖情況下則出現相反的趨勢，這與圖2b 中的觀察結果相吻合。此外，與庫侖相互作用的模擬在離狄拉克點遠的正 PC 峰和負 PC 峰之間具有不對稱性，這與圖2b 中所示的數據很好地匹配，而沒有庫侖相互作用的模擬則不是這樣。此外，不對稱的 LL PC 峰形也與觀測值相匹配(見圖2b 中的箭頭)。(b)激發和載流子在低頻段上的弛豫的說明。選擇規則允許載流子在 LLs-n 和 n ± 1,-n ± 1和 n 之間的光激發。根據 EF，被激發的電子和空穴可以放松到狄拉克點的同一側。這些電子和空穴具有相同的邊緣手征性(例如，狄拉克點上方的空穴，橙色的空心圓，以及電子，藍色的實心點) ，因此產生了 PC 的破壞性部分。(c，d)在狄拉克點的同一側具有相同邊手征性的電子和空穴的圖示，給出了一個破壞性的 PC。(e，f)狄拉克點不同側面的電子和空穴的圖示，它們具有相反的邊手征性，給出一個構造性的 PC。
相關科研成果由馬里蘭大學Mohammad Hafezi和Glenn S. Solomon等人于2022年發表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05502）上。原文：Chiral Transport of Hot Carriers in Graphene in the Quantum Hall Regime。
轉自《石墨烯研究》公眾號
