Graphene in Strong Light Fields: Floquet Bands and Their Topology

Abstract

The effects of intense light fields on the Floquet band structure of graphene are studied in a multi-orbital tight-binding model, paying special attention to spin-orbit interaction. Under linear and circular polarisation, graphene is observed to be a ℤ₂- or Chern-topological insulator, respectively. For frequencies in the PHz regime, the frequency-dependent behaviour of the bulk Floquet band structure at and around the Dirac points is computed numerically and attributed to topological properties according to the tenfold way. For THz frequencies, an oscillating behaviour of valence and conduction band as a function of the irradiated frequency is observed. In graphene ribbons of finite width, the changes in topology result in respective changes to the topological edge states. Under irradiation with circularly polarised light, the spin degeneracy of the topologically protected edge states is lifted as a consequence of the competing intrinsic spin-Hall effect of graphene and a light-induced photovoltaic Hall effect. The observations on the topology are further confirmed to hold up under small deflections of the light source.

Die Auswirkungen von starken Lichtfeldern auf die Floquet-Bandstruktur von Graphen werden in einem Multi-Orbital-Tight-Binding-Modell untersucht. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Spin-Orbit-Wechselwirkung. Bei linearer und zirkularer Polarisation des Lichts wird beobachtet, dass Graphen entsprechend ein ℤ₂-topologischer Isolator oder ein Chern-Isolator ist. Für Frequenzen im PHz-Bereich wird das frequenzabhängige Verhalten der Bulk-Floquet-Bandstruktur an und um die Dirac-Punkte herum numerisch berechnet und auf topologische Eigenschaften gemäß des „Tenfold Way“ zurückgeführt. Für THz-Frequenzen wird eine Oszillation von Valenz- und Leitungsband als eine Funktion der eingestrahlten Frequenz beobachtet. In Graphen-Streifen mit endlicher Breite führen die Änderungen in der Topologie zu entsprechenden Änderungen in den Randzuständen. Unter Einstrahlung mit zirkular polarisiertem Licht wird die Spin-Entartung der topologisch geschützten Randzustände aufgrund eines photovoltaischen Hall-Effekts, der mit dem intrinsischen Spin-Hall-Effekt konkurriert, aufgehoben. Die Beobachtungen zur Topologie werden für leichte Ablenkungen der Lichtquelle geprüft, und es wird bestätigt, dass die Ergebnisse sich dadurch nicht ändern.