La espectroscopia de terahercios detecta y controla las propiedades de la materia con campos electromagnéticos que se encuentran en el rango de frecuencia entre unos pocos cientos de gigahercios y varios terahercios (abreviado como THz). En los sistemas de muchos cuerpos , varios de los estados relevantes tienen una diferencia de energía que coincide con la energía de un fotón THz . Por lo tanto, la espectroscopía de THz proporciona un método particularmente poderoso para resolver y controlar las transiciones individuales entre diferentes estados de muchos cuerpos. Al hacer esto, uno obtiene nuevos conocimientos sobre la cinética cuántica de muchos cuerpos y cómo se puede utilizar en el desarrollo de nuevas tecnologías optimizadas hasta el nivel cuántico elemental.
Las diferentes excitaciones electrónicas dentro de los semiconductores ya se utilizan ampliamente en láseres , componentes electrónicos y computadoras . Al mismo tiempo, constituyen un interesante sistema de muchos cuerpos cuyas propiedades cuánticas pueden modificarse, por ejemplo, mediante un diseño de nanoestructura . En consecuencia, la espectroscopia THz en semiconductores es relevante para revelar tanto los nuevos potenciales tecnológicos de las nanoestructuras como para explorar las propiedades fundamentales de los sistemas de muchos cuerpos de forma controlada.
Fondo
Existe una gran variedad de técnicas para generar radiación THz y para detectar campos THz. Se puede, por ejemplo, utilizar una antena , un láser de cascada cuántica , un láser de electrones libres o una rectificación óptica para producir fuentes de THz bien definidas. El campo THz resultante se puede caracterizar mediante su campo eléctrico E THz ( t ). Los experimentos actuales ya pueden generar E THz ( t ) que tiene un valor pico en el rango de MV / cm (megavoltios por centímetro). [1] Para estimar qué tan fuertes son tales campos, se puede calcular el nivel de cambio de energía que tales campos inducen a un electrón a una distancia microscópica de un nanómetro (nm), es decir, L = 1 nm. Uno simplemente se multiplica el pico E THz ( t ) con la carga elemental e y L para obtener e E THz ( t ) L = 100 MeV. En otras palabras, tales campos tienen un efecto importante en los sistemas electrónicos porque la mera intensidad de campo de E THz ( t ) puede inducir transiciones electrónicas a escalas microscópicas . Una posibilidad es usar tales campos THz para estudiar las oscilaciones de Bloch [2] [3] donde los electrones semiconductores se mueven a través de la zona de Brillouin , solo para regresar a donde comenzaron, dando lugar a las oscilaciones de Bloch.
Las fuentes de THz también pueden ser extremadamente cortas, [4] hasta un solo ciclo de oscilación del campo de THz. Para un THz, eso significa una duración en el rango de un picosegundo (ps). En consecuencia, se pueden usar campos THz para monitorear y controlar procesos ultrarrápidos en semiconductores o para producir conmutación ultrarrápida en componentes semiconductores. Obviamente, la combinación de duración ultrarrápida y pico fuerte E THz ( t ) proporciona nuevas posibilidades para los estudios sistemáticos en semiconductores.
Además de la fuerza y duración de E THz ( t ), la energía de los fotones del campo THz juega un papel vital en las investigaciones de semiconductores porque puede hacerse resonante con varias transiciones intrigantes de muchos cuerpos. Por ejemplo, los electrones en la banda de conducción y los huecos , es decir, las vacantes electrónicas, en la banda de valencia se atraen entre sí a través de la interacción de Coulomb . En condiciones adecuadas, los electrones y huecos pueden unirse a excitones que son estados de la materia similares al hidrógeno. Al mismo tiempo, la energía de enlace del excitón es de pocos a cientos de meV que se pueden combinar energéticamente con un fotón THz. Por lo tanto, la presencia de excitones puede detectarse de forma única [5] [6] basándose en el espectro de absorción de un campo THz débil. [7] [8] También los estados simples, como el plasma y el plasma con agujeros de electrones correlacionados [9] pueden ser monitoreados o modificados por campos de THz.
Espectroscopia de dominio de tiempo de terahercios
En la espectroscopia óptica, los detectores miden típicamente la intensidad del campo de luz en lugar del campo eléctrico porque no hay detectores que puedan medir directamente los campos electromagnéticos en el rango óptico. Sin embargo, existen múltiples técnicas, como antenas y muestreo electroóptico , que se pueden aplicar para medir la evolución temporal de E THz ( t ) directamente. Por ejemplo, se puede propagar un pulso THz a través de una muestra de semiconductor y medir los campos transmitidos y reflejados en función del tiempo. Por lo tanto, se recopila información de la dinámica de excitación de semiconductores completamente en el dominio del tiempo, que es el principio general de la espectroscopia en el dominio del tiempo en terahercios .
Mediante el uso de pulsos cortos de THz, [4] ya se han estudiado una gran variedad de fenómenos físicos. Para semiconductores intrínsecos no excitados, se puede determinar la permitividad compleja o el coeficiente de absorción de THz y el índice de refracción, respectivamente. [11] La frecuencia de los fonones ópticos transversales , a los que se pueden acoplar los fotones THz, se encuentra para la mayoría de los semiconductores en varios THz. [12] Los portadores libres en semiconductores dopados o semiconductores excitados ópticamente conducen a una absorción considerable de fotones THz. [13] Dado que los pulsos de THz atraviesan materiales no metálicos, pueden utilizarse para la inspección y transmisión de artículos empaquetados.
Transiciones de excitón y plasma inducidas por terahercios
Los campos de THz se pueden aplicar para acelerar los electrones fuera de su equilibrio. Si esto se hace lo suficientemente rápido, se pueden medir los procesos elementales, como la rapidez con la que se construye el cribado de la interacción de Coulomb. Esto se exploró experimentalmente en la Ref. [14] donde se demostró que el cribado se completa en decenas de femtosegundos en semiconductores. Estos conocimientos son muy importantes para comprender cómo se comporta el plasma electrónico en los sólidos .
La interacción de Coulomb también puede emparejar electrones y huecos en excitones, como se explicó anteriormente. Debido a su análogo al átomo de hidrógeno , los excitones tienen estados ligados que pueden identificarse de forma única por los números cuánticos habituales 1 s , 2 s , 2 p , etc. En particular, la transición de 1 s -a-2 p está permitida por un dipolo y puede ser generada directamente por E THz ( t ) si la energía del fotón coincide con la energía de transición. En sistemas de tipo arseniuro de galio , esta energía de transición es de aproximadamente 4 meV que corresponde a fotones de 1 THz. En la resonancia, el dipolo d 1 s , 2 p define la energía Rabi Ω Rabi = d 1 s , 2 p E THz ( t ) que determina la escala de tiempo en la que procede la transición de 1 s -a-2 p .
Por ejemplo, se puede excitar la transición excitónica con un pulso óptico adicional que está sincronizado con el pulso THz. Esta técnica se denomina espectroscopia THz transitoria. [4] Con esta técnica se puede seguir la dinámica de formación de los excitones [7] [8] u observar la ganancia de THz que surge de las transiciones intraexcitónicas. [15] [16]
Dado que un pulso THz puede ser intenso y corto, por ejemplo, de ciclo único, es posible experimentalmente realizar situaciones en las que la duración del pulso, la escala de tiempo relacionada con Rabi y la energía del fotón THz ħω están degeneradas. En esta situación, se entra en el ámbito de la óptica no lineal extrema [17] donde las aproximaciones habituales, como la aproximación de onda rotatoria (abreviada como RWA) o las condiciones para la transferencia de estado completa, se rompen. Como resultado, las oscilaciones de Rabi se distorsionan fuertemente por las contribuciones no RWA, los procesos de emisión o absorción multifotónica y el efecto dinámico Franz-Keldysh , medido en las Refs. [18] [19]
Mediante el uso de un láser de electrones libres, se pueden generar pulsos THz más largos que son más adecuados para detectar las oscilaciones Rabi directamente. De hecho, esta técnica podría demostrar las oscilaciones de Rabi, o en realidad la división de Autler-Townes relacionada , en experimentos. [20] La división Rabi también se ha medido con un pulso corto de THz [21] y también se ha detectado el inicio de la ionización de fotones múltiples de THz, [22] a medida que los campos de THz se hacen más fuertes. Recientemente, también se ha demostrado que la interacción de Coulomb hace que las transiciones intraexcitónicas nominalmente prohibidas por dipolo se vuelvan parcialmente permitidas. [23]
Teoría de las transiciones de terahercios
Las transiciones de terahercios en sólidos pueden abordarse sistemáticamente generalizando las ecuaciones de Bloch de semiconductores [9] y la dinámica de correlación de muchos cuerpos relacionada. En este nivel, uno se da cuenta de que el campo THz es absorbido directamente por correlaciones de dos partículas que modifican la cinética cuántica de las distribuciones de electrones y huecos. Por lo tanto, un análisis THz sistemático debe incluir la cinética cuántica de correlaciones de muchos cuerpos, que pueden tratarse sistemáticamente, por ejemplo, con el enfoque de expansión de conglomerados . En este nivel, uno puede explicar y predecir una amplia gama de efectos con la misma teoría, que van desde la respuesta del plasma como Drude [13] hasta los efectos no lineales extremos de los excitones.
Ver también
- Evaluación no destructiva de terahercios
- Espectroscopia de dominio de tiempo de terahercios
- Radiación de terahercios
- Espectroscopia láser ultrarrápida
- Ecuaciones de Bloch de semiconductores
- Enfoque de expansión de clústeres
- Fórmula de Elliott
Referencias
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