Terahertz-driven hot Dirac fermion and plasmon dynamics in the bulk-insulating topological insulator Bi2Se3

准粒子 拓扑绝缘体 等离子体子 物理 太赫兹辐射 迪拉克费米子 凝聚态物理 石墨烯 激发 费米子 材料科学 光电子学 量子力学 超导电性
作者
Bumjoo Lee,Chihun In,Jisoo Moon,Tae Hoon Kim,Seongshik Oh,Tae Won Noh,Hyunyong Choi
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:105 (4) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevb.105.045307
摘要

For degenerately doped three-dimensional topological insulators (3D TIs), the interaction dynamics between Dirac fermions and collective charge oscillations (plasmons) are considerably complicated. In particular, the low-energy contribution near band inversion is largely obscure because of the bulk-surface interaction as well as the two-dimensional electron gas (2DEG). We have circumvented these issues by performing high-field terahertz (THz) pump-probe spectroscopy in bulk insulating ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ TI microribbon array structures. Plasmon blueshift of 11% was found to occur within 4 ps under 0.433 MV/cm THz excitation compared to the near-equilibrium state. Although the conventional optical pump or engineered microribbon TIs exhibits a similar plasmon blueshift, our observation is readily explained by the intrinsic plasmon behavior from the increased electronic temperature (${T}_{\mathrm{e}}\ensuremath{\cong}1430\phantom{\rule{4pt}{0ex}}\mathrm{K}$) and reduced chemical potential ($\ensuremath{\mu}\ensuremath{\cong}16\phantom{\rule{4pt}{0ex}}\mathrm{meV}$) without considering extrinsic contributions. Our findings may apply to other classes of Dirac materials to investigate the coupled low-energy interactions with collective quasiparticles.
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