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.
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
- Originalveröffentlichung
M. Runge et al.: Mono-cycle terahertz pulses from intersubband shift currents in asymmetric semiconductor quantum wells, Optica 8, 1638 (2021); DOI: 10.1364/OPTICA.438096 - Nonlinear Processes in Condensed Matter, Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
