We study nonlinear effects of intense terahertz (THz) field on photoexcited carrier dynamics in gated monolayer graphene. By employing optical-pump/intense-THz-probe spectroscopy on lightly doped graphene, we observe a crossover from negative to positive photo-induced THz differential transmission as the THz probe field is increased. We attribute this qualitative change in the response to a crossover from a regime where the photo-induced increase in the carrier density dominates the differential response to one where a THz-field-induced increase in the scattering rate dominates.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
3.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T. J.
Booth
,
V. V.
Khotkevich
,
S. V.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
PNAS
102
,
10451
(
2005
).
4.
S.-F.
Shi
,
T.-T.
Tang
,
B.
Zeng
,
L.
Ju
,
Q.
Zhou
,
A.
Zettl
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
14
,
1578
(
2014
).
5.
A. J.
Frenzel
,
C. H.
Lui
,
Y. C.
Shin
,
J.
Kong
, and
N.
Gedik
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
056602
(
2014
).
6.
S. A.
Jensen
,
Z.
Mics
,
I.
Ivanov
,
H. S.
Varol
,
D.
Turchinovich
,
F. H. L.
Koppens
,
M.
Bonn
, and
K. J.
Tielrooij
,
Nano Lett.
14
,
5839
(
2014
).
7.
S.
Choubak
,
M.
Biron
,
P. L.
Levesque
,
R.
Martel
, and
P.
Desjardins
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1100
(
2013
).
8.
A. C.
Ferrari
,
J. C.
Mayer
,
V.
Scardci
,
C.
Casiraghi
,
M.
Lazzeri
,
F.
Mauri
,
S.
Piscanec
,
D.
Jiang
,
K. S.
Novoselov
,
S.
Roth
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
187401
(
2006
).
9.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4938081 for sample preparation, experimental setup and theoretical model.
10.
E. M.
Hajaj
,
O.
Shtempluk
,
V.
Kochetkov
,
A.
Razin
, and
Y. E.
Yaish
,
Phys. Rev. B
88
,
045128
(
2013
).
11.
J.
Hebling
,
Opt. Quantum Electron.
28
,
1759
(
1996
).
12.
J.
Hebling
,
G.
Almási
,
I. Z.
Kozma
, and
J.
Kuhl
,
Opt. Express
10
,
1161
(
2002
).
13.
I.
Al-Naib
,
G.
Sharma
,
M. M.
Dignam
,
H.
Hafez
,
A.
Ibrahim
,
D. G.
Cooke
,
T.
Ozaki
, and
R.
Morandotti
,
Phys. Rev. B
88
,
195203
(
2013
).
14.
J. M.
Dawlaty
,
S.
Shivaraman
,
J.
Strait
,
P.
George
,
M.
Chandrashekhar
,
F.
Rana
,
M. G.
Spencer
,
D.
Veksler
, and
Y.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
131905
(
2008
).
15.
H.
Choi
,
F.
Borondics
,
D. A.
Siegel
,
S. Y.
Zhou
,
M. C.
Martin
,
A.
Lanzara
, and
R. A.
Kaindl
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
172102
(
2009
).
16.
I.
Maeng
,
S.
Lim
,
S. J.
Chae
,
Y. H.
Lee
,
H.
Choi
, and
J.-H.
Son
,
Nano Lett.
12
,
551
(
2012
).
17.
H. A.
Hafez
,
I.
Al-Naib
,
M. M.
Dignam
,
Y.
Sekine
,
K.
Oguri
,
F.
Blanchard
,
D. G.
Cooke
,
S.
Tanaka
,
F.
Kumori
,
H.
Hibino
, and
T.
Ozaki
,
Phys. Rev. B
91
,
035422
(
2015
).
18.
M. J.
Paul
,
Y. C.
Chang
,
Z. J.
Thompson
,
A.
Stickel
,
J.
Wardini
,
H.
Choi
,
E. D.
Minot
,
B.
Hou
,
J. A.
Nees
,
T. B.
Norris
, and
Y.-S.
Lee
,
New J. Phys.
15
,
085019
(
2013
).
19.
S. A.
Mikhailov
and
K.
Ziegler
,
J. Phys: Condens. Matter
20
,
384204
(
2008
).
20.
A. R.
Wright
,
X. G.
Xu
,
J. C.
Cao
, and
C.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
072101
(
2009
).
21.
K. L.
Ishikawa
,
Phys. Rev. B
82
,
201402(R)
(
2010
).
22.
S.
Shareef
,
Y. S.
Ang
, and
C.
Zhang
,
J. Opt. Soc. Am. B
29
,
274
(
2012
).
23.
Y. S.
Ang
,
S.
Sultan
,
A.
Tawfiq
,
J.
Cao
, and
C.
Zhang
,
J. Infrared Millimeter Terahertz Waves
33
,
816
(
2012
).
24.
P.
Bowlan
,
E.
Martinez-Moreno
,
K.
Reimann
,
T.
Elsaesser
, and
M.
Woerner
,
Phys. Rev. B
89
,
041408(R)
(
2014
).
25.
J.
Hrong
,
C.-F.
Chen
,
B.
Geng
,
C.
Girit
,
Y.
Zhang
,
Z.
Hao
,
H. A.
Bechtel
,
M.
Martin
,
A.
Zettl
,
M. F.
Crommie
,
Y. R.
Shen
, and
F.
Wang
,
Phys. Rev. B
83
,
165113
(
2011
).
26.
I.
Al-Naib
,
M.
Poschmann
, and
M. M.
Dignam
,
Phys. Rev. B
91
,
205407
(
2015
).
27.
F.
Rana
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
7
,
91
(
2008
).
28.
S.
Das Sarma
,
S.
Adam
,
E. H.
Hwang
, and
E.
Rossi
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
407
(
2011
).
29.
E. H.
Hwang
and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
79
,
165404
(
2009
).
30.
T.
Fang
,
A.
Konar
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Phys. Rev. B
84
,
125450
(
2011
).
31.
H.
Razavipour
,
W.
Yang
,
A.
Guermoune
,
M.
Hilke
,
D. G.
Cooke
,
I.
Al-Naib
,
M. M.
Dignam
,
F.
Blanchard
,
H.
A.
Hafez
,
X.
Chai
,
D.
Ferachou
,
T.
Ozaki
,
P. L.
Lévesque
, and
R.
Martel
,
Phys. Rev. B
92
,
245421
(
2015
).
32.
Z.
Zhang
,
H.
Xu
,
H.
Zhong
, and
L.-M.
Peng
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
213103
(
2012
).
33.
M. T.
Mihnev
,
C. J.
Divin
,
F.
Kadi
,
T.
Winzer
,
S.
Lee
,
C.-H.
Liu
,
Z.
Zhong
,
X.
Wang
,
R. S.
Ruoff
,
C.
Berger
,
W. A.
de Heer
,
E.
Malic
,
A.
Knorr
, and
T. B.
Norris
, in
Conference of Lasers and Electro-Optics (CLEO), FTu4B.5
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.