Фототоки в полуметаллах Вейля / Голуб Л.Е., Ивченко Е.Л., Леппенен Н.В.

Представлен обзор теоретических и экспериментальных достижений по фототокам вполуметаллах Вейля трехмерных системах с линейной дисперсией, обладающих невырожденнымэнергетическим спектром. Они были открыты и стали активно изучаться в последнее время,привлекая большое внимание благодаря своим необычным электрическим и оптическим свойствам вобъеме и на поверхности и тому, что они расширяют представления топологической теории в физикетвердого тела. В таких системах в простейшей модели носители тока описываются эффективнымгамильтонианом, который имеет вид гамильтонана Вейля, используемого для описания нейтрино,чем и обусловлено их название.В полуметаллах Вейля замечательным образом ведет себя “циркулярный” фототок, то естьэлектрический ток, появляющийся при поглощении света без приложения внешнего электрическогонапряжения и меняющий свое направление на противоположное при смене знака круговойполяризации света. А именно, при отсутствии плоскостей отражения циркулярный фототокнаправлен вдоль момента фотона, и его темп генерации определяется, помимо напряженностиэлектрического поля волны, мировыми постоянными. Этот результат практически не меняется приучете кулоновского взаимодействия, а для непрямых внутризонных оптических переходов в каждомвейлевском узле универсальное значение принимает плотность циркулярного фототока [1].Нелинейный по интенсивности циркулярный фототок зависит от соотношения времёнэнергетической и импульсной релаксации фотоносителей и при больших интенсивностях нарастаетлинейно по амплитуде световой волны.Реальные полуметаллы Вейля TaAs, TaP, NbAs, NbP и Bi1−xSbx имеют точечную симметрию C4vи C3v соответственно. Таким образом, в них присутствует зеркальная симметрия, при которой вкладыв циркулярный фототок от двух узлов Вейля, связанных отражением, в точности компенсируют другдруга. Поэтому в направлении распространения света генерируется чисто долинный фототок.Циркулярный электрический фототок может генерироваться в направлении поперёк момента фотона,если свет распространяется перпендикулярно поворотной оси симметрии 3-его или 4-ого порядка [2].Такой фототок микроскопически не может быть получен в рамках чисто вейлевского гамильтониана,но обусловлен линейными по импульсу спин-независимыми поправками, приводящему к “наклону”дисперсионных конусов. Установлено, что циркулярный фототок в полуметаллах симметрии C4vотличен от нуля в модели с наклоном, если его энергетический спектр анизотропен в плоскости,перпендикулярной оси C4. Однако наклон дисперсии приводит к фототоку лишь в ограниченнойобласти частот. Предложена альтернативная модель кубических по импульсу спин-зависимыхпоправок к гамильтониану Вейля, приводящих к фототоку, нарастающему с частотой света [3].Исследованы фототоки, индуцированные магнитным полем при неполяризованном оптическомвозбуждении, инвертирующие своё направлении при инверсии поля. В квантующих полях такойфототок обусловлен прямыми переходами между одномерными магнитными подзонамиполуметаллов Вейля. Фототок максимален, если один из фотоносителей возбуждается в киральнуюподзону с энергией, меньшей циклотронной. Учёт спин-независимого наклона спектра в магнитномполе приводит к конверсии чисто долинного фототока в электрический. Релаксациямагнитоиндуцированного фототока обусловлена как рассеянием между узлами Вейля, так инеупругими процессами [1,2].