垂直磁场下拓扑绝缘体表面态的光电生极效应

我们对 Bi$_2$Se$_3$ 这一典型拓扑绝缘体表面态在垂直对准磁场下的非线性磁光移变电导进行理论研究。通过将电子态描述为 Landau 能级并采用扰动方法，推导了 shift 电导 $\sigma^{(2);\alpha\beta\gamma}(-\omega,\omega)$ 的微观表达式，其中 $\alpha,\beta,\gamma=\pm$ 代表光的圆偏振，$\omega$ 为光频率；进一步将光谱分解为由 interband 和 intraband 光学跃迁贡献，其中识别了选择规则。考虑到系统具有 $C_3$ 点群对称性，conductivity 张量的非零分量为 $\sigma^{(2);-++}=[\sigma^{(2);+--}]^*$。因此，纯圆偏振光可产生零 shift current。于粗略模型中，conductivity 仅在離散光子能量处为非零，因为離散 Landau 能级和能量守恒条件；在考虑阻尼后，能量守恒条件被松弛，使其呈现 Lorentzian 线型。我们详细研究了谱对阻尼参数、磁场和化学势的依赖性。我们的结果表明，shift current 高度可调，受化学势和磁场的调制。这一结果凸显了拓扑绝缘体在可调、强非线性磁光应用中的潜力。