Terahertz -Spektroskopie und -Technologie

Terahertz -Spektroskopie Erkennt und kontrolliert Eigenschaften der Materie mit elektromagnetische Felder das befinden sich im Frequenzbereich zwischen einigen hundert Gigahertz und mehrere Terahertz (abgekürzt als thz). Im Vieler Körper Systeme, mehrere der relevanten Zustände haben einen Energieunterschied, der mit der Energie eines THz übereinstimmt Photon. Daher liefert die THZ-Spektroskopie eine besonders leistungsstarke Methode bei der Auflösung und Kontrolle einzelner Übergänge zwischen verschiedenen Kategorien. Auf diese Weise erhält man neue Einblicke in die Quantenkinetik der Viele Körper und wie dies bei der Entwicklung neuer Technologien verwendet werden kann, die bis zum elementaren Quantenebene optimiert sind.

Unterschiedliche elektronische Anregungen innerhalb von Halbleitern sind bereits in großem Umfang verwendet in Laser, elektronische Komponenten und Computers. Gleichzeitig bilden sie ein interessantes Vielkörpersystem, dessen Quanteneigenschaften modifiziert werden können, z. B. über a Nanostruktur Entwurf. Infolgedessen ist die THZ-Spektroskopie an Halbleitern relevant, um sowohl neue technologische Potentiale von Nanostrukturen als auch für die Erforschung der grundlegenden Eigenschaften vieler Körperschaftssysteme auf kontrollierte Weise aufzudecken.

Hintergrund

Es gibt eine Vielzahl von Techniken zu generieren THz Strahlung und um die Felder zu erkennen. Man kann z. B. verwenden eine Antenne, a Quanten-Cascade-Laser, a Freielektronenlaser, oder Optische Berichtigung gut definierte THz-Quellen herstellen. Das resultierende THz -Feld kann über sein elektrisches Feld charakterisiert werden EThz(t). Heutige Experimente können bereits ausgegeben werden EThz(t) Das hat einen Spitzenwert im Bereich von MV/cm (Megavolts pro Zentimeter).[1] Um zu schätzen, wie stark solche Felder sind, kann man das Niveau der Energieänderung berechnen, die solche Felder zu einem hervorrufen Elektron über den mikroskopischen Abstand eines Nanometers (NM), d.h. L = 1 nm. Man multipliziert einfach den Gipfel EThz(t) mit Grundladung e und L erhalten e EThz(t) L = 100 mev. Mit anderen Worten, solche Felder haben einen großen Einfluss auf elektronische Systeme, weil die bloße Feldstärke von EThz(t) kann elektronische Übergänge induzieren Mikroskopische Skalen. Eine Möglichkeit besteht darin, solche THz -Felder zum Studium zu verwenden Bloch -Schwingungen[2][3] wo sich Halbleiterelektronen durch die bewegen Brillouin -Zone, nur um dorthin zurückzukehren, wo sie angefangen haben, und führte zu den Bloch -Schwingungen.

Die THz -Quellen können auch extrem kurz sein,[4] Bis zum einzelnen Zyklus der Oszillation des Feldes. Für einen THz bedeutet dies eine Dauer im Bereich einer Pikosekunde (PS). Infolgedessen kann man THZ -Felder verwenden, um ultraschnelle Prozesse in Halbleitern zu überwachen und zu steuern oder ultraschnelle Schaltungen in Halbleiterkomponenten zu erzeugen. Offensichtlich die Kombination von ultraschneller Dauer und starkem Peak EThz(t) Bietet systematischen Studien in Halbleitern große neue Möglichkeiten.

Neben der Stärke und Dauer von EThz(t), die Photonenenergie des THZ-Feldes spielt eine wichtige Rolle bei Halbleiteruntersuchungen, da sie mit mehreren faszinierenden Übergängen mit vielen Körperschaftsanfällen resonant werden kann. Zum Beispiel Elektronen in Leitungsband und Löcher, d.h. elektronische freie Stellen, in Valenzband sich über die anziehen Coulomb -Interaktion. Unter geeigneten Bedingungen können Elektronen und Löcher an gebunden werden Exzitonen Das sind wasserstoffähnliche Zustände der Materie. Gleichzeitig der Exziton Bindungsenergie Ist nur wenige bis Hunderte von MEV, die energisch mit einem THz -Photon übereinstimmen können. Daher kann das Vorhandensein von Exzitonen eindeutig erkannt werden[5][6] Basierend auf dem Absorptionsspektrum eines schwachen THz -Feldes.[7][8] Auch einfache Zustände, wie z. Plasma und korreliertes Elektronenlochplasma[9] kann durch die Felder überwacht oder geändert werden.

Terahertz-Zeit-Domänen-Spektroskopie

Hauptartikel: Terahertz-Zeit-Domänen-Spektroskopie

In der optischen Spektroskopie messen die Detektoren typischerweise die Intensität des Lichtfeldes als das elektrische Feld, da es keine Detektoren gibt, die elektromagnetische Felder im optischen Bereich direkt messen können. Es gibt jedoch mehrere Techniken wie Antennen und Elektrooptische Probenahme, das kann angewendet werden, um die Zeitentwicklung von zu messen EThz(t) direkt. Zum Beispiel kann man einen THZ -Impuls durch eine Halbleiterprobe ausbreiten und die übertragenen und reflektierten Felder als Funktion der Zeit messen. Daher sammelt man Informationen über die Dynamik der Halbleiteranregungsdynamik vollständig im Zeitbereich, das das allgemeine Prinzip der ist Terahertz-Zeit-Domänen-Spektroskopie.

Verwenden von Terahertz zur Entwicklung von Übertragungsbildern von verpackten Elementen.[10]

Durch die Verwendung kurzer THz -Impulse,[4] Eine große Auswahl an physischen Phänomenen wurde bereits untersucht. Für uneingeschränkt, Intrinsische Halbleiter Man kann die bestimmen Komplexe Permittivität oder THZ-Absorptionskoeffizient bzw. Brechungsindex.[11] Die Häufigkeit von transversaloptisch Phononen, zu denen die Photonen koppeln können, liegt für die meisten Halbleiter bei mehreren THz.[12] Freie Träger in dotierte Halbleiter oder optisch angeregte Halbleiter führen zu einer beträchtlichen Absorption von THz -Photonen.[13] Da THz Impulse durch nichtmetallische Materialien durchlaufen, können sie zur Inspektion und Übertragung von verpackten Gegenständen verwendet werden.

Terahertz-induziertes Plasma und Exzitonübergänge

Die THZ -Felder können angewendet werden, um Elektronen aus ihrem Gleichgewicht zu beschleunigen. Wenn dies schnell genug erfolgt, kann man die elementaren Prozesse messen, z. B. wie schnell die Screening der Coulomb -Interaktion wird aufgebaut. Dies wurde experimentell in Lit.[14] Wo gezeigt wurde, dass das Screening innerhalb von zehn Femtosekunden in Halbleitern abgeschlossen ist. Diese Erkenntnisse sind sehr wichtig zu verstehen, wie sich elektronisches Plasma verhält Festkörper.

Die Coulomb -Wechselwirkung kann auch Elektronen und Löcher in Exzitonen kombinieren, wie oben diskutiert. Aufgrund ihres Analogos zur Wasserstoffatom, Exzitonen haben gebundene Zustände das kann eindeutig durch das übliche identifiziert werden Quantenzahlen 1s, 2s, 2p, usw. Insbesondere 1s-zu 2p Der Übergang ist Dipol zulässig und kann direkt durch generiert werden EThz(t) Wenn die Photonenergie mit der Übergangsenergie übereinstimmt. Im Galliumarsenid-Diese Übergangsenergie beträgt ungefähr 4 MeV, was 1 THz -Photonen entspricht. Bei Resonanz der Dipol d1s, 2p definiert die Rabi -Energie ωRabi = d1s, 2p EThz(t) das bestimmt die Zeitskala, bei der die 1s-zu 2p Übergang erfolgt.

Zum Beispiel kann man den exzitonischen Übergang mit einem zusätzlichen optischen Impuls erregen, der mit dem THZ -Impuls synchronisiert wird. Diese Technik wird als transiente THZ -Spektroskopie bezeichnet.[4] Mit dieser Technik kann man der Bildungsdynamik von Exzitonen folgen[7][8] oder beobachten Sie, wie der Gewinn aus intraexcitonischen Übergängen entsteht.[15][16]

Da ein THZ-Impuls intensiv und kurz sein kann, z. B. Einzelzyklus, ist es experimentell möglich, Situationen zu realisieren, in denen die Dauer des Impulses, die Zeitskala im Zusammenhang mit Rabi- und THz-Photonenenergie ħω degeneriert sind. In dieser Situation tritt man in den Bereich der extremen nichtlinearen Optik ein[17] wo die üblichen Annäherungen wie die ARTATATIONSWAVE-ANNAHMUNG (Abkürzung als RWA) oder die Bedingungen für die vollständige staatliche Übertragung. Infolgedessen die Rabi -Oszillationen durch die Nicht-RWA-Beiträge, die Multiphotonenabsorptions- oder Emissionsprozesse und die Dynamik stark verzerrt werden Franz -Keldysh -Effekt, wie in Refs gemessen.[18][19]

Durch die Verwendung eines frei-Elektronenlasers kann man längere THz-Impulse erzeugen, die besser zum Nachweis der Rabi-Oszillationen geeignet sind. Diese Technik könnte in Experimenten tatsächlich die Oszillationen von Rabi oder tatsächlich die zugehörigen Autler -Innenverletzungen demonstrieren.[20] Die Rabi -Spaltung wurde ebenfalls mit einem kurzen THz -Impuls gemessen[21] und auch der Beginn der Multi-Thz-Photon-Ionisation wurde festgestellt,[22] Da werden die THZ -Felder stärker gemacht. In jüngster Zeit wurde auch gezeigt, dass die Coulomb-Wechselwirkung dazu führt, dass nominell dipolwhde intra-excitonische Übergänge teilweise zulässig werden.[23]

Theorie der Terahertz -Übergänge

Terahertz -Übergänge bei Festkörpern können systematisch angegangen werden, indem die Verallgemeinerung der Halbleiter -Bloch -Gleichungen[9] und die verwandte Korrelationsdynamik mit vielen Körper. Auf dieser Ebene erkennt man, dass das THZ -Feld direkt von absorbiert wird zweiteilige Korrelationen die die Quantenkinetik von Elektronen- und Lochverteilungen modifizieren. Daher muss eine systematische THz-Analyse die Quantenkinetik vieler Körpervertretung umfassen, die systematisch behandelt werden kann, z. B. mit dem Cluster-Expansionsansatz. Auf dieser Ebene kann man eine Vielzahl von Effekten mit derselben Theorie erklären und vorhersagen Drude-ähnliche Antwort[13] von Plasma zu extremen nichtlinearen Effekten von Exzitonen.

Siehe auch

Verweise

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