Терагерцовая спектроскопия и технология - Terahertz spectroscopy and technology

Терагерцовая спектроскопия обнаруживает и контролирует свойства материи с электромагнитные поля которые находятся в диапазоне частот от нескольких сотен гигагерц и несколько терагерц (сокращенно ТГц). В многотельный системы, некоторые из соответствующих состояний имеют разность энергий, которая соответствует энергии ТГц фотон. Таким образом, терагерцовая спектроскопия представляет собой особенно эффективный метод разрешения и управления отдельными переходами между различными состояниями многих тел. Делая это, можно по-новому взглянуть на многочастие. квантовая кинетика и как это можно использовать при разработке новых технологий, оптимизированных до элементарного квантового уровня.

Различные электронные возбуждения в полупроводниках уже широко используются в лазеры, электронные компоненты и компьютеры. В то же время они представляют собой интересную систему многих тел, квантовые свойства которой можно изменять, например, с помощью наноструктура дизайн. Следовательно, ТГц спектроскопия на полупроводниках актуальна как для выявления новых технологических возможностей наноструктур, так и для контролируемого исследования фундаментальных свойств систем многих тел.

Фон

Существует множество методов создания ТГц излучение и для обнаружения полей ТГц. Например, можно использовать антенна, а квантово-каскадный лазер, а лазер на свободных электронах, или же оптическое выпрямление для создания четко определенных источников ТГц диапазона. Результирующее ТГц поле можно охарактеризовать через его электрическое поле EТГц(т). Современные эксперименты уже могут выводить EТГц(т) с пиковым значением в диапазоне МВ / см (мегавольт на сантиметр).[1] Чтобы оценить, насколько сильны такие поля, можно вычислить уровень изменения энергии, которое такие поля вызывают электрон на микроскопическом расстоянии в один нанометр (нм), т.е. L = 1 нм. Один просто умножает пик EТГц(т) с элементарный заряд е и L чтобы получить е EТГц(т) L = 100 мэВ. Другими словами, такие поля имеют большое влияние на электронные системы, потому что просто напряженность поля EТГц(т) может вызывать электронные переходы через микроскопические весы. Одна из возможностей - использовать такие ТГц поля для изучения Блоховские колебания[2][3] где полупроводниковые электроны движутся через Зона Бриллюэна, просто чтобы вернуться туда, откуда они начали, что привело к блоховским колебаниям.

Источники ТГц могут быть очень короткими,[4] вплоть до одного цикла колебаний ТГц поля. Для одного ТГц это означает продолжительность в диапазоне одной пикосекунды (пс). Следовательно, можно использовать ТГц поля для мониторинга и управления сверхбыстрыми процессами в полупроводниках или для создания сверхбыстрого переключения в полупроводниковых компонентах. Очевидно, сочетание сверхбыстрой продолжительности и сильного пика EТГц(т) открывает новые широкие возможности для систематических исследований полупроводников.

Помимо силы и продолжительности EТГц(т), энергия фотонов ТГц поля играет жизненно важную роль в исследованиях полупроводников, потому что она может быть резонансной с несколькими интересными многочастичными переходами. Например, электроны в зона проводимости и дыры, т.е. электронные вакансии, в валентная полоса привлекают друг друга через Кулоновское взаимодействие. При подходящих условиях электроны и дырки могут быть связаны с экситоны это водородоподобные состояния вещества. В то же время экситон энергия связи составляет от нескольких до сотен мэВ, что может быть согласовано энергетически с ТГц фотоном. Таким образом, наличие экситонов можно однозначно обнаружить.[5][6] на основе спектра поглощения слабого ТГц поля.[7][8] Также простые состояния, такие как плазма и коррелированная электронно-дырочная плазма[9] может контролироваться или изменяться с помощью полей THz.

Терагерцовая спектроскопия во временной области

Основная статья: Терагерцовая спектроскопия во временной области

В оптической спектроскопии детекторы обычно измеряют интенсивность светового поля, а не электрического поля, потому что нет детекторов, которые могут напрямую измерять электромагнитные поля в оптическом диапазоне. Однако есть несколько методов, таких как антенны и электрооптический отбор проб, который может быть применен для измерения временной эволюции EТГц(т) напрямую. Например, можно распространить ТГц импульс через образец полупроводника и измерить прошедшие и отраженные поля как функцию времени. Таким образом, информация о динамике возбуждения полупроводника собирается полностью во временной области, что является общим принципом терагерцовая спектроскопия во временной области.

Использование терагерцевого диапазона для обработки изображений упакованных предметов.

Используя короткие ТГц импульсы,[4] уже изучено великое множество физических явлений. Для невозбужденных, собственные полупроводники можно определить комплексная диэлектрическая проницаемость или коэффициент поглощения ТГц и показатель преломления соответственно.[10] Частота поперечно-оптического фононы, с которой могут связываться фотоны ТГц диапазона, для большинства полупроводников составляет несколько ТГц.[11] Бесплатные перевозчики в легированные полупроводники или оптически возбужденные полупроводники приводят к значительному поглощению ТГц фотонов.[12] Поскольку терагерцовые импульсы проходят через неметаллические материалы, их можно использовать для проверки и передачи упакованных предметов.

Терагерцовые плазменные и экситонные переходы

ТГц поля могут применяться для ускорения электронов из состояния равновесия. Если это делается достаточно быстро, можно измерить элементарные процессы, например, насколько быстро скрининг кулоновского взаимодействия. Это было экспериментально исследовано в работе [5].[13] где было показано, что в полупроводниках экранирование завершается за десятки фемтосекунд. Эти идеи очень важны для понимания того, как электронная плазма ведет себя в твердые вещества.

Кулоновское взаимодействие может также спаривать электроны и дырки в экситоны, как обсуждалось выше. Благодаря аналогу атом водорода, экситоны имеют связанные состояния которые можно однозначно идентифицировать обычным квантовые числа 1s, 2s, 2п, и так далее. В частности, 1sот -до-2п переход является дипольным и может быть непосредственно порожден EТГц(т), если энергия фотона совпадает с энергией перехода. В арсенид галлия -типа, эта энергия перехода составляет примерно 4 мэВ, что соответствует фотонам 1 ТГц. В резонансе диполь d1s,2п определяет энергию Раби ΩРаби = d1s,2п EТГц(т), который определяет масштаб времени, на котором 1sот -до-2п переход продолжается.

Например, можно возбудить экситонный переход дополнительным оптическим импульсом, синхронизированным с ТГц импульсом. Этот метод называется нестационарной ТГц спектроскопией.[4] Используя эту технику, можно проследить динамику образования экситонов.[7][8] или наблюдать усиление ТГц, возникающее из-за внутриэкситонных переходов.[14][15]

Поскольку импульс ТГц может быть интенсивным и коротким, например, одноцикловым, экспериментально возможно реализовать ситуации, когда длительность импульса, временной масштаб, связанный с Раби, а также энергия ТГц фотона ω вырождены. В этой ситуации человек входит в сферу экстремальная нелинейная оптика[16] где обычные приближения, такие как приближение вращающейся волны (сокращенно RWA) или условия для полной передачи состояния. В результате Осцилляции Раби сильно искажаются вкладами, не относящимися к RWA, многофотонное поглощение или эмиссионные процессы, а динамический Эффект Франца – Келдыша., как измерено в [1,2].[17][18]

Используя лазер на свободных электронах, можно генерировать более длинные терагерцовые импульсы, которые больше подходят для непосредственного обнаружения колебаний Раби. Этот метод действительно мог продемонстрировать колебания Раби или связанные с ними Расщепление Аутлера – Таунса, в экспериментах.[19] Расщепление Раби также было измерено с помощью короткого ТГц импульса.[20] а также обнаружено начало многофотонной ионизации ТГц излучения,[21] по мере усиления ТГц полей. Недавно было также показано, что кулоновское взаимодействие приводит к тому, что номинально запрещенные по диполю внутриэкситонные переходы становятся частично разрешенными.[22]

Теория терагерцовых переходов

Систематически подходить к терагерцовым переходам в твердых телах можно, обобщив полупроводниковые уравнения Блоха[9] и связанная с этим динамика корреляции многих тел. На этом уровне понимается, что ТГц поле напрямую поглощается двухчастичные корреляции которые изменяют квантовую кинетику распределения электронов и дырок. Следовательно, систематический анализ в ТГц диапазоне должен включать квантовую кинетику многочастичных корреляций, которую можно систематически рассматривать, например, с помощью кластерный подход. На этом уровне можно объяснить и предсказать широкий спектр эффектов с помощью одной и той же теории, начиная от Друде -подобный ответ[12] плазмы к экстремальным нелинейным воздействиям экситонов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Junginger, F .; Продам, А .; Schubert, O .; Mayer, B .; Brida, D .; Marangoni, M .; Cerullo, G .; Leitenstorfer, A. et al. (2010). «Одноцикловые мультитерагерцовые переходные процессы с пиковыми полями выше 10 МВ / см». Письма об оптике 35 (15): 2645. doi:10.1364 / OL.35.002645
  2. ^ Feldmann, J .; Leo, K .; Shah, J .; Miller, D .; Cunningham, J .; Meier, T .; von Plessen, G .; Schulze, A .; Thomas, P .; Шмитт-Ринк, С. (1992). «Оптическое исследование блоховских колебаний в полупроводниковой сверхрешетке». Физический обзор B 46 (11): 7252–7255. doi:10.1103 / PhysRevB.46.7252
  3. ^ Бен Дахан, Максим; Пейк, Эккехард; Райхель, Якоб; Кастин, Иван; Саломон, Кристоф (1996). «Блоховские колебания атомов в оптическом потенциале». Письма с физическими проверками 76 (24): 4508–4511. doi:10.1103 / PhysRevLett.76.4508
  4. ^ а б c Jepsen, P.U .; Cooke, D.G .; Кох, М. (2011). «Терагерцовая спектроскопия и визуализация - современные методы и приложения». Обзоры лазеров и фотоники 5 (1): 124–166. doi:10.1002 / lpor.201000011
  5. ^ Тимуск, Т .; Navarro, H .; Lipari, N.O .; Альтарелли, М. (1978). «Поглощение в дальнем инфракрасном диапазоне экситонами в кремнии». Твердотельные коммуникации 25 (4): 217–219. doi:10.1016/0038-1098(78)90216-8
  6. ^ Кира, М .; Hoyer, W .; Строукен, Т .; Кох, С. (2001). «Образование экситонов в полупроводниках и влияние фотонной среды». Письма с физическими проверками 87 (17). doi:10.1103 / PhysRevLett.87.176401
  7. ^ а б Kaindl, R.A .; Карнахан, М. А .; Hägele, D .; Lövenich, R .; Chemla, D. S. (2003). «Сверхбыстрые терагерцовые зонды переходных проводящих и изолирующих фаз в электронно-дырочном газе». Природа 423 (6941): 734–738. doi:10.1038 / природа01676
  8. ^ а б Кира, М .; Hoyer, W .; Кох, С. (2004). «Терагерцовые признаки динамики образования экситонов в нерезонансно возбужденных полупроводниках». Твердотельные коммуникации 129 (11): 733–736. doi:10.1016 / j.ssc.2003.12.015
  9. ^ а б Кира, М .; Кох, С. (2006). «Многотельные корреляции и экситонные эффекты в спектроскопии полупроводников». Прогресс в квантовой электронике. 30 (5): 155–296. Bibcode:2006PQE .... 30..155K. Дои:10.1016 / j.pquantelec.2006.12.002. ISSN  0079-6727.
  10. ^ Гришковский, Д .; Кейдинг, Сорен; Экстер, Мартин ван; Fattinger, Ch. (1990). «Дальняя инфракрасная спектроскопия во временной области с терагерцовыми пучками диэлектриков и полупроводников». Журнал Оптического общества Америки B 7 (10): 2006. doi:10.1364 / JOSAB.7.002006
  11. ^ Han, P. Y .; Чжан, X.-C. (1998). «Когерентные широкополосные сенсоры терагерцового диапазона в среднем инфракрасном диапазоне». Письма по прикладной физике 73 (21): 3049. doi:10.1063/1.122668
  12. ^ а б Zhang, W .; Azad, Abul K .; Гришковский Д. (2003). «Терагерцовые исследования динамики носителей и диэлектрического отклика n-типа, автономного эпитаксиального GaN». Письма по прикладной физике 82 (17): 2841. doi:10.1063/1.1569988
  13. ^ Huber, R .; Таузер, Ф .; Бродшельм, А .; Бихлер, М .; Abstreiter, G .; Leitenstorfer, A. (2001). Природа 414 (6861): 286–289. doi:10.1038/35104522
  14. ^ Кира, М .; Кох, С. (2004). «Инверсия населенности экситонов и терагерцевое усиление в полупроводниках, возбуждаемых резонансом». Письма с физическими проверками 93 (7). doi:10.1103 / PhysRevLett.93.076402
  15. ^ Хубер, Руперт; Шмид, Бен; Shen, Y .; Chemla, Daniel; Каиндл, Роберт (2006). «Вынужденное терагерцовое излучение от внутриэкситонных переходов в Cu2O». Письма с физическими проверками 96 (1). doi:10.1103 / PhysRevLett.96.017402
  16. ^ Вегенер, М. (2005). М. Экстремальная нелинейная оптика: введение. Springer. ISBN  978-3642060908
  17. ^ Danielson, J .; Ли, Юн-Шик; Prineas, J .; Steiner, J .; Кира, М .; Кох, С. (2007). «Взаимодействие сильных одноцикловых терагерцовых импульсов с полупроводниковыми квантовыми ямами». Письма с физическими проверками 99 (23). doi:10.1103 / PhysRevLett.99.237401
  18. ^ Leinß, S .; Kampfrath, T .; v.Volkmann, K .; Wolf, M .; Steiner, J .; Кира, М .; Koch, S .; Leitenstorfer, A. et al. (2008). «Терагерцовый когерентный контроль оптически темных параэкситонов в Cu2O». Письма с физическими проверками 101 (24). doi:10.1103 / PhysRevLett.101.246401
  19. ^ Вагнер, Мартин; Шнайдер, Харальд; Штер, Доминик; Виннерл, Стефан; Эндрюс, Аарон М .; Шартнер, Стефан; Штрассер, Готфрид; Хельм, Манфред (2010). «Наблюдение внутриэкситонного эффекта Аутлера-Таунса в полупроводниковых квантовых ямах GaAs / AlGaAs». Письма с физическими проверками 105 (16). doi:10.1103 / PhysRevLett.105.167401
  20. ^ Steiner, J .; Кира, М .; Кох, С. (2008). «Оптические нелинейности и флоппинг Раби экситонной популяции в полупроводнике, взаимодействующем с сильными терагерцовыми полями». Физический обзор B 77 (16). doi:10.1103 / PhysRevB.77.165308
  21. ^ Ewers, B .; Köster, N. S .; Woscholski, R .; Koch, M .; Chatterjee, S .; Хитрова, Г.; Gibbs, H.M .; Klettke, A.C .; Кира, М .; Кох, С. В. (2012). «Ионизация когерентных экситонов сильными полями терагерцового диапазона». Физический обзор B 85 (7). doi:10.1103 / PhysRevB.85.075307
  22. ^ Rice, W. D .; Kono, J .; Zybell, S .; Winnerl, S .; Bhattacharyya, J .; Schneider, H .; Helm, M .; Ewers, B .; Черников, А .; Koch, M .; Chatterjee, S .; Хитрова, Г.; Gibbs, H.M .; Schneebeli, L .; Breddermann, B .; Кира, М .; Кох, С. В. (2013). «Наблюдение запрещенных экситонных переходов, опосредованных кулоновскими взаимодействиями в фотовозбужденных квантовых ямах полупроводников». Письма с физическими проверками 110 (13). doi:10.1103 / PhysRevLett.110.137404