二次元電子液体における流体力学的逆ファラデー効果

二次元電子液体における流体力学的逆ファラデー効果
https://arxiv.org/pdf/2001.08015.pdf
S. O. Potashin,
1
V. Yu. Kachorovskii,
1, 2, 3
and M. S. Shur
2

概要

二次元電子液体（2DEL）に埋め込まれた、またはその近くに配置され、円偏光電磁放射にさらされた、ナノスフェアやナノリングなどの小さな導電性物体が、隣接するプラズモン振動を「ねじれた」プラズモン振動を誘発することを示します。 2DEL。振動は、ヘリシティに敏感な円形DC電流と磁気モーメントにつながる流体力学的非線形性のために修正されます。この流体力学的逆ファラデー効果（HIFE）は、さまざまな材料で室温で観察できます。 HIFEは、共鳴プラズモンカプラーを形成するナノスフェアの周期的配列で劇的に強化されます。円偏波にさらされたこのようなカプラーは、2DEL全体を渦状態に変換します。したがって、ツイストプラズモンモードは、共鳴プラズモン増強ゲート調整可能な光磁化をサポートします。プラズモンとドルードの寄与の干渉により、共鳴は非対称のファノのような形をしています。これらの共振は、接点や相互接続の影響を受けない2DELプロパティのシグネチャを示し、したがって、2DELプロパティに関する最も正確な情報を提供します。特に、共振の幅は、2DELの運動量緩和時間と粘度に関する直接的な情報をエンコードします。

V.ディスカッション
A.有限の粘度、外部磁場、および有限サイズの影響。
上記では、ゼロ粘度の理想的な無限2DELのゼロ外部磁場の計算を示しました。システム内の粘性電子液体のさまざまな磁気応答レジームの詳細な分析は、この作業の範囲外であり、他の場所で提示されます。ここでは、単純に限定しますが、同時に、共鳴励起の最も興味深いケースは、式（1）で与えられる波数ベクトルを持つプラズモンモードのいくつかです。（17）は、共振条件を満たすω≈ωnmです。ここで、ωnmは式（17）で与えられます。（19）。この場合、共鳴近似内で、ωcω（ωc= eB / mcはサイクロトロン周波数）を持つ弱い磁場Bの影響は、ω2nmを次のように置き換えることによって説明できます。

したがって、弱い磁場は図4に示す共振の位置をシフトし、DC電流と磁化を制御するための追加の方法を提供します。
同じ共振近似内で、弱い粘度の影響、不平等を満足させる
νq2nmωは、弾性減衰γを次のように置き換えることによって説明されます。

明らかに、γn1m1とγn2m2を測定することによって運動量緩和時間を抽出することもできます。
その式に注意する価値があります。（58）は、材料の特性を含まず、単一の幾何学的要因、つまり実験で十分に制御できるナノスフェア間の距離に依存します。したがって、HIFEは電子の粘度を直接抽出する方法を提供します。
この論文では、無限の2Dシステムについて考察しました。興味深い質問は、有限サイズの効果、つまりシステムの境界での電流と磁場の振る舞いに関連しています。この問題の詳細な議論は、この作業の範囲を超えており、他の場所で研究されます。ここでは、いくつかのコメントに限定します。
有限サイズの回折正方格子L = Nd（ここでN 1は整数）が無限の2D平面上にある場合の状況を考えることができます。次に、dqi（i = x、y）の積分で関数Z（r）を計算すると、係数sin（qiL / 2）/ sin（qid / 2）が表示されます。これは、の量子化されたベクトルの周りのqのスミアリングを表します。 qnmの逆格子[式を参照してください。（17）] δqi∼1 / Lのオーダーの値による。
基本モードを考慮し、対応する積分を計算すると、回折格子で覆われた領域の外側で、プラズモンおよび混合寄与が指数関数的に減衰することがわかります。ここで、δrは回折領域のエッジからの距離です。 1 /√k0Q= s /√ω0γ、およびLμ= 1 / Q = s /γ。
減衰率が小さい場合は両方とも注目に値します
LπとLμはLのオーダーまたはそれよりも大きくなる可能性があります。つまり、十分にクリーンな2DELの場合、円電流と磁場は、回折格子で覆われた領域をはるかに超えて現れる可能性があります。

B.さまざまな関連パラメータの推定
構造

このセクションでは、さまざまな材料の関連する物理パラメータの推定値をいくつか示し、現実的な構造に対する近似の適用可能性について簡単に説明します。次の幾何学的パラメーターを使用します：d = 250 nm、a = 50 nm、R = 25nm。プラズマ波速度は、標準方程式[16]を使用し、システムにバックゲートがあると仮定して推定されます。表Iに示されているバリア（スペーサー）幅は、各材料システムの標準値に対応しています。入ってくる放射線の電界はE0 = 105V / cmとみなされます。品質係数が1のオーダーである場合の、非共振の場合の電流フローを特徴付ける電流j0と、電流の両方を推定します。

表Iは、最も重要なパラメータの計算値、つまり基本周波数、品質係数、DC電流の特性値、および最大磁界を示しています。この表に記載されているすべての材料について、基本プラズモンモードの周波数はTHz範囲にあります。光学的に誘導された磁場の値は、特にGaNおよびp-ダイヤモンドベースの構造では、77Kの低温では十分に大きくなる可能性があります。これらの推定には、対応する実験および/または数値シミュレーションを参照して、表IIにリストされている材料パラメータを使用しました。上記の表に示されている数値を使用して、計算で使用された近似の妥当性について説明できます。
私たちのモデルでは、プラズモンカプラーを構成する球が完全に偏光していると仮定しました。これは、ナノスフェアの内部プラズモン周波数が問題の特徴的な周波数と比較して非常に大きいことを意味します。

VI。結論
結論として、我々は、周期的に配置されたナノスフェアで作られたプラズモンカプラーを介した円偏光電磁波による二次元電子における円形プラズモンモード（ねじれたプラズモン）の励起を予測した。プラズモンの整流により、ヘリシティに敏感な円形DC電流が発生し、その結果、磁気モーメントが発生することを示しました。これにより、流体力学的逆ファラデー効果が実証されました。この効果はプラズモン共鳴の近くで劇的に増加するため、DC電流は鋭いプラズモンピークを示します。ピークへの2つの干渉する寄与、プラズモン寄与、およびプラズモン励起とドルード励起の両方を含む寄与があります。
その結果、プラズモン共鳴は非対称のファノのような形をしています。提案されたシステムは、2Dシステムの光学的調整可能な磁化、THz範囲の周波数で動作する多くの光電子トロニックデバイス、および2D電子液体の特性評価とパラメータ抽出に使用できます。特に、異なるプラズモン共鳴の幅を測定することで、電子の粘度を抽出することができます。