11.01.2022

Erzeugung intensiver Terahertz-Impulse in asymmetrischen Halbleiter-Quantenstrukturen

Zeitliche Form lässt sich über den nichtlinearen Erzeugungsmechanismus maßschneidern.

Terahertz-Wellen sind ein wichtiges analytisches Werkzeug in Forschung und Technologie, ihre Anwendungen reichen von der Material- und Gewebe­charakte­ri­sierung bis zur Sicherheits­kontrolle am Flughafen. Ultrakurze Terahertz-Impulse von wenigen Pikosekunden Dauer werden mit hohen Amplituden des elektrischen Feldes in der zeit­auf­gelösten Spektroskopie kondensierter Materie eingesetzt. Darüber hinaus spielen sie eine Schlüsselrolle in Tele­kommuni­ka­tions­systemen für extrem hohe Daten­über­tragungs­raten. Die Ausnutzung des Potenzials von Terahertz-Methoden und -Technologien erfordert die Entwicklung effizienter und kompakter Terahertz-Quellen.

Abb.: Ultraschnelle Erzeugung von Verschiebe­strömen in asymme­trischen...
Abb.: Ultraschnelle Erzeugung von Verschiebe­strömen in asymme­trischen Halb­leiter-Quanten­trögen und optische Geo­metrie. (Bild: MBI)

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts und des Paul-Drude-Instituts in Berlin haben jetzt ein neues Konzept zur Erzeugung ultrakurzer Terahertz-Wellenzüge demonstriert, das auf der optischen Steuerung von Elektronen­bewegungen in einem hoch­kompakten Quanten­bauelement beruht. Ein optischer Anregungs­impuls im mittleren Infrarot erzeugt einen zeit­abhängigen elektrischen Strom in einer Halbleiter-Nanostruktur, die zwanzig asymmetrische Quantentröge enthält. Dieser Strom emittiert Terahertz-Impulse, die aus einer einzelnen Licht­schwingung bestehen und eine Maximal­amplitude des elektrischen Feldes von einigen Kilovolt pro Zentimeter aufweisen. Die zeitliche Struktur der Impulse kann über die Anregungs­bedingungen des Quanten­bauelements maßge­schneidert werden.

Bei der Methode sind Elektronen in einem quasi-zweidimen­sionalen Quantentrog einge­schlossen, der entlang der Stapelachse der AlxGa1-xAs-Halbleiter­schichten asymmetrisch ist. Auf Grund der geringen Breite des Quantentrogs entstehen die Quanten­zustände der Elektronen, die jeweils der Minimal­energie von Elektronen in den entsprechenden Subbändern entsprechen. Die asymmetrische Form des Potenzials entlang der Achse führt zu räumlich gegeneinander verschobenen Wahrschein­lich­keits­verteilungen der Elektronen in den beiden Subbändern.

Eine Anregung von Elektronen aus Subband 1 in Subband 2 mittels eines ultrakurzen Licht­impulses im mittleren Infrarot verschiebt den Schwerpunkt der gesamten Dichte­verteilung der Elektronen um einige Nanometer, was einem zeit­ab­hängigen elektrischen Strom entspricht. Nach den Gesetzen der Elektro­dynamik emittiert dieser Verschiebe­strom ein elektrisches Feld. Bei Verwendung eines Femto­sekunden-Impulses zur Anregung liegt die Frequenz des emittierten Feldes im Terahertz-Bereich.

Alle so erzeugten Terahertz-Impulse bestehen aus einem einzigen Oszillations­zyklus. Der genaue zeitliche Verlauf ändert sich jedoch mit der Anregungs­stärke auf Grund des nicht­linearen Charakters des Erzeugungs­prozesses. Dieses Verhalten kann ausgenutzt werden, um die Wellenzüge in einem breiten Parameter­bereich maßzu­schneidern. Die Gesamt­effizienz der Terahertz-Erzeugung liegt im Bereich einiger Prozent des Anregungs­feldes, wodurch diese Methode besonders interessant wird für die effiziente Erzeugung variabler Terahertz-Impulse in hoch­kompakten opto­elektro­nischen Licht­quellen, die etwa bei Repetitions­raten im Gigahertz­bereich arbeiten.

MBI / RK

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