Noncentrosymmetric plasmon modes and giant terahertz photocurrent in a two-dimensional plasmonic crystal

Abstract

We introduce and theoretically study the plasmon-photogalvanic effect in a planar noncentrosymmetric plasmonic crystal containing a homogeneous two-dimensional electron system gated by a periodic metal grating with an asymmetric unit cell. The plasmon-photogalvanic dc current arises due to the two-dimensional electron drag by the noncentrosymmetric plasmon modes excited under normal incidence of terahertz radiation. We show that the collective plasmon modes of the planar plasmonic crystal become strongly noncentrosymmetric in the weak-coupling regime of their anticrossing. A large plasmon wave vector (which is typically by two-three orders of magnitude greater than the terahertz photon wave vector) along with strong near-field enhancement at the plasmon resonance make the plasmonic drag a much stronger effect compared to the photon drag observed in conventional two-dimensional electron systems.

Terahertz ratchet effects in graphene with a lateral superlattice

“…The ratchet effects are expected to be strongly dependent on the in-plane asymmetry of the electrostatic potential and near-field effects of the radiation diffraction [25,33,34,38]. To demonstrate the effect of the asymmetry and examine the ratchet effects in the vicinity of Dirac point, we studied samples with an interdigitated dual-grating structure [see Figs.…”

“…It is worth noting that the differential plasmonic drag [38] can be also viewed phenomenologically as a specific "linear" ratchet effect induced in a periodic graphene structure by the normally incident THz radiation with the electric field polarized perpendicular to the grating gate. We simulate the interaction of THz radiation incident normally upon the grating-gated graphene in the framework of a self-consistent electromagnetic approach based on the integral equation method described in detail in Ref.…”

Magnetic quantum ratchet effect in (Cd,Mn)Te- and CdTe-based quantum well structures with a lateral asymmetric superlattice

“…Ratchet effects whose prerequisites are simultaneous breaking of both thermal equilibrium and spatial inversion symmetry can be realized in a great variety of forms and, in particular, as electric transport in semiconductor systems [6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20]. Recent experiments demonstrated that terahertz radiation induced ratchet effects can be efficiently excited in semiconductor quantum wells (QWs) [14,15,21,22] and graphene [23,24] with lateral superlattice structures.…”

Гигантский Эффект Выпрямления Терагерцового Излучения В Периодических Графеновых Плазмонных Структурах

“…На эффектив-ность выпрямления ТГц излучения за счет эффекта элек-тронно-дырочного плазмонного храповика влияет как геометрическая асимметрия графеновой структуры, так и взаимодействие пространственных гармоник электри-ческого поля разных порядков. Эффективное взаимодей-ствие пространственных гармоник электрического поля разных порядков возможно при возбуждении в струк-туре гибридных плазмонных резонансов в результате взаимодействия плазмонных мод разных плазмонных резонаторов в элементарной ячейке графеновой структу-ры [18,19]. В пространственно-асимметричной структуре в дополнение к " радиационным" плазмонным модам с волновым вектором, кратным ширинам плазмонных ре-зонаторов, k p = (2n − 1)π/w 1,2 , возбуждаются " неради-ационные" плазмонные моды, волновой вектор которых определяется соотношением k p = 2πn/w 1,2 [19], где n -номер плазмонной моды.…”

“…В первом плазмонном резонансе (на частоте 1 ТГц) и во втором резонансе (на частоте 2 ТГц) в данной структуре возбуждаются подзатворные плазмонные мо-ды под широким затвором, слабо взаимодействующие с другими плазмонными модами. В этом случае поля плазмонов обладают симметрией [19] и поэтому эффект плазмонного электронно-дырочного храповика опреде-ляется в основном пространственной геометрической асимметрией графеновой структуры, а именно продоль-ным смещением области с дырочной проводимостью относительно центра широкого затворного электрода (который определяет профиль электрического поля в структуре).…”