Терагерцевая спектроскопия и технологии
Терагерцовая спектроскопия обнаруживает и контролирует свойства материи с помощью электромагнитных полей в диапазоне частот от нескольких сотен гигагерц до нескольких терагерц (сокращенно ТГц). В системах многих тел несколько соответствующих состояний имеют разность энергий, соответствующую энергии терагерцового фотона . Таким образом, ТГц спектроскопия представляет собой особенно мощный метод разрешения и контроля отдельных переходов между различными состояниями многих тел. Делая это, можно получить новое представление о квантовой кинетике многих тел и о том, как ее можно использовать при разработке новых технологий, оптимизированных до элементарного квантового уровня.
Различные электронные возбуждения в полупроводниках уже широко используются в лазерах , электронных компонентах и компьютерах . В то же время они представляют собой интересную систему многих тел, квантовые свойства которой можно модифицировать, например, с помощью создания наноструктур . Следовательно, ТГц спектроскопия полупроводников актуальна как для выявления новых технологических возможностей наноструктур, так и для контролируемого исследования фундаментальных свойств систем многих тел.
Фон
[ редактировать ]Существует большое разнообразие методов генерации ТГц излучения и обнаружения ТГц полей. Можно, например, использовать антенну , квантово-каскадный лазер , лазер на свободных электронах или оптическое выпрямление для создания четко определенных ТГц источников. Результирующее ТГц поле можно охарактеризовать через его электрическое поле E ТГц ( t ). Современные эксперименты уже позволяют получить E ТГц ( t ), пиковое значение которого находится в диапазоне МВ/см (мегавольт на сантиметр). [1] Чтобы оценить, насколько сильны такие поля, можно вычислить уровень изменения энергии, которое такие поля вызывают у электрона на микроскопическом расстоянии в один нанометр (нм), т. е. L = 1 нм. Просто умножаем пик E ТГц ( t ) на элементарный заряд e и L, чтобы получить e E ТГц ( t ) L = 100 мэВ. Другими словами, такие поля оказывают большое влияние на электронные системы, потому что простая напряженность поля E ТГц ( t ) может вызвать электронные переходы в микроскопических масштабах . Одна из возможностей — использовать такие ТГц поля для изучения блоховских колебаний. [2] [3] где электроны полупроводника движутся через зону Бриллюэна только для того, чтобы вернуться туда, откуда они начали, вызывая блоховские колебания.
Источники ТГц также могут быть чрезвычайно короткими, [4] вплоть до одного цикла колебаний ТГц поля. Для одного ТГц это означает длительность в диапазоне одной пикосекунды (пс). Следовательно, можно использовать ТГц поля для мониторинга и управления сверхбыстрыми процессами в полупроводниках или для создания сверхбыстрых переключений в полупроводниковых компонентах. Очевидно, что сочетание сверхбыстрой длительности и сильного пика E ТГц ( t ) открывает огромные новые возможности для систематических исследований полупроводников.
Помимо силы и продолжительности E ТГц ( t ), энергия фотонов ТГц поля играет жизненно важную роль в исследованиях полупроводников, поскольку ее можно сделать резонансной с несколькими интригующими многочастичными переходами. Например, электроны в зоне проводимости и дырки , то есть электронные вакансии, в валентной зоне притягиваются друг к другу посредством кулоновского взаимодействия . При подходящих условиях электроны и дырки могут быть связаны с экситонами , которые представляют собой водородоподобные состояния вещества. В то же время энергия связи экситона составляет от единиц до сотен мэВ, что энергетически соответствует ТГц фотону. Следовательно, присутствие 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] можно контролировать или изменять с помощью ТГц полей.
Терагерцовая спектроскопия во временной области
[ редактировать ]В оптической спектроскопии детекторы обычно измеряют интенсивность светового поля, а не электрического поля, поскольку не существует детекторов, которые могли бы напрямую измерять электромагнитные поля в оптическом диапазоне. Однако существует множество методов, таких как антенны и электрооптическая выборка , которые можно применять для непосредственного измерения временной эволюции E ТГц ( t ). Например, можно распространить ТГц импульс через образец полупроводника и измерить прошедшее и отраженное поля как функцию времени. Таким образом, информация о динамике возбуждения полупроводника собирается полностью во временной области, что является общим принципом терагерцовой спектроскопии во временной области .
Используя короткие ТГц импульсы, [4] уже изучено большое разнообразие физических явлений. Для невозбужденных собственных полупроводников можно определить комплексную диэлектрическую проницаемость или коэффициент ТГц-поглощения и показатель преломления соответственно. [11] Частота поперечно-оптических фононов , с которыми могут связываться ТГц фотоны, для большинства полупроводников составляет несколько ТГц. [12] Свободные носители в легированных полупроводниках или оптически возбужденных полупроводниках приводят к значительному поглощению ТГц фотонов. [13] Поскольку ТГц импульсы проходят через неметаллические материалы, их можно использовать для проверки и передачи упакованных предметов.
Терагерцово-индуцированные плазменные и экситонные переходы
[ редактировать ]ТГц поля можно применять для ускорения электронов из состояния равновесия. Если это сделать достаточно быстро, можно измерить элементарные процессы, например, насколько быстро экранировка создается кулоновского взаимодействия. Это было экспериментально исследовано в работе [12]. [14] где было показано, что экранирование в полупроводниках завершается за десятки фемтосекунд. Эти открытия очень важны для понимания того, как электронная плазма ведет себя в твердых телах .
Кулоновское взаимодействие также может объединять электроны и дырки в экситоны, как обсуждалось выше. Благодаря своему аналогу атома водорода , экситоны имеют связанные состояния , которые можно однозначно идентифицировать по обычным квантовым числам 1 s , 2 s , 2 p и так далее. В частности, переход 1 s -to-2 p является дипольно разрешенным и может быть непосредственно сгенерирован E ТГц ( t ), если энергия фотона соответствует энергии перехода. В системах типа арсенида галлия эта энергия перехода составляет примерно 4 мэВ, что соответствует фотонам с частотой 1 ТГц. При резонансе диполь d 1 s ,2 p определяет энергию Раби Ω Rabi = d 1 s ,2 p E ТГц ( t ), которая определяет масштаб времени, в котором происходит переход от 1 с до 2 p .
Например, экситонный переход можно возбудить дополнительным оптическим импульсом, синхронизированным с ТГц-импульсом. Этот метод называется переходной ТГц спектроскопией. [4] С помощью этой методики можно проследить динамику образования экситонов. [7] [8] или наблюдать ТГц усиление, возникающее за счет внутриэкситонных переходов. [15] [16]
Поскольку ТГц импульс может быть интенсивным и коротким, например, одноцикловым, экспериментально можно реализовать ситуации, когда длительность импульса, временной масштаб, связанный с Раби-, а также энергия ТГц фотона ħω вырождаются. В этой ситуации мы попадаем в область крайней нелинейной оптики. [17] где обычные приближения, такие как приближение вращающейся волны (сокращенно RWA) или условия полной передачи состояния, не работают. В результате осцилляции Раби сильно искажаются вкладами, не относящимися к RWA, процессами многофотонного поглощения или излучения, а также динамическим эффектом Франца-Келдыша , измеренным в работах [12]. [18] [19]
Используя лазер на свободных электронах, можно генерировать более длинные ТГц импульсы, которые больше подходят для непосредственного обнаружения осцилляций Раби. Этот метод действительно может продемонстрировать в экспериментах осцилляции Раби или, фактически, связанное с ними расщепление Аутлера-Таунса . [20] Расщепление Раби также было измерено с помощью короткого ТГц импульса. [21] а также обнаружено начало многотерагерцовой фотонной ионизации, [22] поскольку ТГц поля становятся сильнее. Недавно было также показано, что кулоновское взаимодействие приводит к тому, что номинально дипольно-запрещенные внутриэкситонные переходы становятся частично разрешенными. [23]
Теория терагерцовых переходов
[ редактировать ]К терагерцовым переходам в твердых телах можно систематически подойти, обобщив уравнения Блоха для полупроводников. [9] и соответствующая динамика корреляции многих тел. На этом уровне можно понять, что ТГц поле напрямую поглощается двухчастичными корреляциями , которые изменяют квантовую кинетику распределений электронов и дырок. Следовательно, систематический ТГц анализ должен включать квантовую кинетику корреляций многих тел, которые можно систематически рассматривать, например, с помощью подхода расширения кластеров . На этом уровне можно объяснить и предсказать широкий спектр эффектов с помощью одной и той же теории, начиная от Друде реакции [13] плазмы к экстремальным нелинейным эффектам экситонов.
См. также
[ редактировать ]- Терагерцовый неразрушающий контроль
- Терагерцовая спектроскопия во временной области
- Терагерцовое излучение
- Сверхбыстрая лазерная спектроскопия
- Полупроводниковые уравнения Блоха
- Подход к расширению кластера
- Формула Эллиотта
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Юнгингер, Ф.; Селл, А.; Шуберт, О.; Майер, Б.; Брида, Д.; Марангони, М.; Серулло, Г.; Лейтенсторфер А. и др. (2010). «Одноцикловые мультитерагерцовые переходные процессы с пиковыми полями выше 10 МВ/см». Оптика Буквы 35 (15): 2645. doi:10.1364/OL.35.002645
- ^ Фельдманн, Дж.; Лео, К.; Шах, Дж.; Миллер, Д.; Каннингем, Дж.; Мейер, Т.; фон Плессен, Г.; Шульце, А.; Томас, П.; Шмитт-Ринк, С. (1992). «Оптическое исследование блоховских колебаний в полупроводниковой сверхрешетке». Физический обзор B 46 (11): 7252–7255. doi:10.1103/PhysRevB.46.7252
- ^ Бен Дахан, Максим; Пейк, Эккехард; Райхель, Якоб; Кастин, Иван; Саломон, Кристоф (1996). «Блоховские колебания атомов в оптическом потенциале». Письма о физическом обзоре 76 (24): 4508–4511. doi:10.1103/PhysRevLett.76.4508
- ^ Jump up to: а б с Джепсен, Пу; Кук, Д.Г.; Кох, М. (2011). «Терагерцовая спектроскопия и визуализация - Современные методы и приложения». Обзоры лазерной и фотоники 5 (1): 124–166. doi:10.1002/lpor.201000011
- ^ Кира, М.; Хойер, В.; Страукен, Т.; Кох, С. (2001). «Образование экситонов в полупроводниках и влияние фотонной среды». Письма о физической проверке 87 (17). doi:10.1103/PhysRevLett.87.176401
- ^ Jump up to: а б Кайндл, РА; Карнахан, Массачусетс; Хегеле, Д.; Левенич, Р.; Чемла, Д.С. (2003). «Сверхбыстрые терагерцовые зонды переходных проводящих и изолирующих фаз в электронно-дырочном газе». Природа 423 (6941): 734–738. дои: 10.1038/nature01676
- ^ Jump up to: а б Кира, М.; Хойер, В.; Кох, SW (2004). «Терагерцовые признаки динамики образования экситонов в нерезонансно возбужденных полупроводниках». Твердотельные коммуникации 129 (11): 733–736. doi:10.1016/j.ssc.2003.12.015
- ^ Jump up to: а б Кира, М.; Кох, SW (2006). «Корреляции многих тел и экситонные эффекты в полупроводниковой спектроскопии» . Прогресс в квантовой электронике . 30 (5): 155–296. Бибкод : 2006PQE....30..155K . doi : 10.1016/j.pquantelec.2006.12.002 . ISSN 0079-6727 .
- ^ US 10783612 , Ахи, Киараш, «Способ и система повышения разрешения терагерцовой визуализации», опубликовано 22 сентября 2020 г.
- ^ Гришковский, Д.; Кейдинг, Сорен; Экстер, Мартин ван; Фэттингер, Ч. (1990). «Дальняя инфракрасная спектроскопия во временной области с терагерцовыми лучами диэлектриков и полупроводников». Журнал Оптического общества Америки B 7 (10): 2006. doi: 10.1364/JOSAB.7.002006.
- ^ Хан, ПЯ; Чжан, X.-C. (1998). «Когерентные широкополосные датчики среднего инфракрасного терагерцового луча». Письма по прикладной физике 73 (21): 3049. doi: 10.1063/1.122668.
- ^ Jump up to: а б Чжан, В.; Азад, Абул К.; Гришковский, Д. (2003). «Терагерцовые исследования динамики носителей и диэлектрического отклика отдельно стоящего эпитаксиального GaN n-типа». Письма по прикладной физике 82 (17): 2841. doi: 10.1063/1.1569988.
- ^ Хубер, Р.; Таузер, Ф.; Бродшельм, А.; Бихлер, М.; Абстрайтер, Г.; Лейтенсторфер, А. (2001). Природа 414 (6861): 286–289. дои: 10.1038/35104522
- ^ Кира, М.; Кох, С. (2004). «Инверсия заселенности экситонов и терагерцовый коэффициент усиления в полупроводниках, возбужденных до резонанса». Письма о физической проверке 93 (7). doi:10.1103/PhysRevLett.93.076402
- ^ Хубер, Руперт; Шмид, Бен; Шен, Ю.; Чемла, Дэниел; Кайндл, Роберт (2006). «Стимулированное терагерцовое излучение от внутриэкситонных переходов в Cu2O». Письма о физической проверке 96 (1). doi:10.1103/PhysRevLett.96.017402
- ^ Вегенер, М. (2005). М. Экстремальная нелинейная оптика: Введение . Спрингер. ISBN 978-3642060908
- ^ Дэниэлсон, Дж.; Ли, Юн-Шик; Принеас, Дж.; Штайнер, Дж.; Кира, М.; Кох, С. (2007). «Взаимодействие сильных одноцикловых терагерцовых импульсов с полупроводниковыми квантовыми ямами». Письма о физической экспертизе 99 (23). doi:10.1103/PhysRevLett.99.237401
- ^ Лейнс, С.; Кампфрат, Т.; против Фолькманна, К.; Вольф, М.; Штайнер, Дж.; Кира, М.; Кох, С.; Лейтенсторфер А. и др. (2008). «Терагерцовый когерентный контроль оптически темных параэкситонов в Cu2O». Письма о физической проверке 101 (24). doi:10.1103/PhysRevLett.101.246401
- ^ 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 о физической экспертизе 105 (16). doi:10.1103/PhysRevLett.105.167401
- ^ Штайнер, Дж.; Кира, М.; Кох, С. (2008). «Оптические нелинейности и эффект Раби экситонной популяции в полупроводнике, взаимодействующем с сильными терагерцовыми полями». Физический обзор B 77 (16). doi:10.1103/PhysRevB.77.165308
- ^ Эверс, Б.; Кестер, Н.С.; Вошольски, Р.; Кох, М.; Чаттерджи, С.; Хитрова Г. ; Гиббс, HM; Клеттке, AC; Кира, М.; Кох, SW (2012). «Ионизация когерентных экситонов сильными терагерцовыми полями». Физический обзор B 85 (7). doi:10.1103/PhysRevB.85.075307
- ^ Райс, штат Вашингтон; Коно, Дж.; Зибелл, С.; Виннерл, С.; Бхаттачарья, Дж.; Шнайдер, Х.; Хельм, М.; Эверс, Б.; Черников А.; Кох, М.; Чаттерджи, С.; Хитрова Г. ; Гиббс, HM; Шнебели, Л.; Бредерманн, Б.; Кира, М.; Кох, SW (2013). «Наблюдение запрещенных экситонных переходов, опосредованных кулоновскими взаимодействиями, в фотовозбужденных полупроводниковых квантовых ямах». Письма о физической экспертизе 110 (13). doi:10.1103/PhysRevLett.110.137404
| Вибрационный (ИК) | |
|---|---|
| УФ–Вид–БИК «Оптический» | |
| Рентгеновское и гамма-излучение | |
| Электрон | |
| Нуклон | |
| Радиоволна | |
| Другие | |
