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

Weitere Infos

 

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen