Schnellere Schwingungen im Halbleiter
Optisch erzeugter Strom verschiebt Atomschwingungen in Galliumarsenid zu höherer Frequenz.
Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halbleiters Galliumarsenid lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungsverschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechselwirkungen zurück auf die Schwingungen. Das haben jetzt Forscher vom Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie und dem Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin, sowie des Laboratoire de Physique der Université PSL Paris demonstriert. Wie sie berichten, erhöht der durch optische Anregung mit Femtosekunden-Lichtimpulsen erzeugter Strom die Frequenz der transversal optischen Phononen.
Das Kristallgitter von GaAs besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von Gallium- und Arsenatomen, die durch kovalente chemische Bindungen zusammengehalten werden. Die Atome des Kristallgitters können eine Vielzahl von Schwingungsbewegungen ausführen, darunter die transversal optischen Phononen mit einer Frequenz von acht Terahertz. Die Elektronendichte der Arsenatome ist etwas höher als diejenige der Galliumatome, was zu einem lokalen elektrischen Dipolmoment führt und das Kristallgitter elektrisch polar macht. Damit werden Schwingungsbewegungen der Atome empfindlich für elektrische Kräfte.
In den Experimenten regte ein erster ultrakurzer optischer Impuls die transversal optischen Schwingung der Atome an. Die Schwingung wurde durch einen zweiten Impuls gestört, der Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband des Halbleiters beförderte. Diese Anregung führt zu einer Ladungsverschiebung zwischen den Atomen, dem Verschiebestrom. Dabei wird die Elektronendichte der Galliumatome leicht erhöht und eine kurzzeitige elektrische Polarisation erzeugt. Letztere ist mit einer elektrischen Kraft verbunden, die auf die atomaren Schwingungen zurückwirkt und deren Frequenz verschiebt.
Die Messung extrem kleiner Verschiebungen der Phononfrequenz stellt eine besondere experimentelle Herausforderung dar. Hier wurde die Phonon-Schwingung direkt über die Terahertz-Welle verfolgt, welche das schwingende Dipolmoment des Kristallgitters abstrahlt. Diese Welle wurde zeitaufgelöst in Amplitude und Phase mit höchster Präzision vermessen. Sie weist eine Frequenzerhöhung auf, nachdem der zweite Impuls den Verschiebestrom erzeugt hat.
Die Frequenz des transversal optischen Phonons ist um ungefähr ein Prozent der anfänglichen Frequenz erhöht. Eine genaue Analyse der experimentellen Ergebnisse zeigt, dass es hierfür ausreicht, wenn ein Elektron pro 20.000 Elementarzellen durch Photoanregung verschoben wird. Die hier erstmals beobachtete Verschiebung der transversal optischen Phonon-Frequenz sollte in anderen Halbleitermaterialien mit polarem Gitter und in Ferroelektrika ebenfalls auftreten.
FV Berlin / MBI / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
A. Ghalgaoui et al.: Frequency Upshift of the Transverse Optical Phonon Resonance in GaAs by Femtosecond Electron-Hole Excitation, Phys. Rev. Lett. 125, 027401 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.027401 - Femtosekundenspektroskopie an Festkörpern (M. Wörner), Nichtlineare Prozesse in kondensierter Materie, Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin
- Control of Elementary Excitations by Acoustic Fields, Dptm. Epitaxy, Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Berlin
- Laboratoire de Physique, École Normale Supérieure, Université PSL, Paris, Frankreich
