Manifestation of topological surface electron states in the photoelectromagnetic effect induced by terahertz laser radiation

Abstract

We demonstrate that measurements of the photoelectromagnetic effect using terahertz laser radiation may provide a unique opportunity to discriminate between the topological surface states and other highly conductive surface electron states. We performed a case study of mixed (Bi -x 1 In x ) 2 Se 3 crystals undergoing a topological phase transformation due to the transition from the inverse to the direct electron energy spectrum in the crystal bulk at variation of the compositionx. We show that for the topological insulator phase, the photoelectromagnetic effect amplitude is defined by the number of incident radiation quanta, whereas for the trivial insulator phase, it depends on the power in a laser pulse irrespective of its wavelength. We assume that such behavior is attributed to a strong damping of the electron-electron interaction in the topological insulator phase compared to the trivial insulator.

Non-equilibrium electron transport induced by terahertz radiation in the topological and trivial phases of Hg1−xCdxTe

“…The radiation power was up to 7 kW and could be varied by calibrated attenuators. The use of the incident radiation power as a variable parameter can help to figure out mechanisms of the photoelectric phenomena in some cases [ 21 – 22 ]. The experimental details can be found elsewhere [ 23 – 27 ].…”

Фотоэлектромагнитный эффект, индуцированный терагерцовым излучением, в топологических изоляторах (Bi-=SUB=-1-x-=/SUB=-Sb-=SUB=-x-=/SUB=-)-=SUB=-2-=/SUB=-Te-=SUB=-3-=/SUB=-

“…В вырожденных полупроводниках под воздействием излучения с низкими энергиями кванта неравновесное состояние может возникать вследствие теплового разогрева газа носителей. В этом случае эдс ФЭМ эффекта определяется градиентом подвижности в приповерхностном слое [13,14]…”

“…В частности, в работе [13] было показано, что амплитуда ФЭМ эффекта, индуцированного терагерцовыми (ТГц) лазерными импульсами в кристаллическом топологическом изоляторе Pb 1−x Sn x Se, определяется диффузией горячих электронов из поверхностного слоя в объем и практически не зависит от объемной концентрации носителей заряда. В дальнейшем в работе [14] при аналогичных исследованиях ФЭМ эффекта в твердых растворах (Bi 1−x In x ) 2 Se 3 , были обнаружены особенности релаксации к равновесному состоянию, присущие только составам в топологической фазе. Различие в характере неравновесных процессов в тривиальной и топологической фазах могут быть связаны со спиновой поляризацией носителей в топологическом слое.…”

High‐Frequency Nonlinear Transport and Photogalvanic Effects in 2D Topological Insulators

“…Photogalvanic spectroscopy of topological insulators is of particular interest since the photocurrents associated with edges can be experimentally separated from the photocurrents stemming from the bulk of the structure. The edge and bulk contributions to the photoresponse have, as a rule, different polarization dependence.…”