半導體晶體中太赫茲晶格振動放大器

2019-06-14 來源:中國太赫茲研發網 我要評論(0) 字號:

來源:Forschungsverbund Berlin E.V.(FVB);電子科技大學紅外毫米波與太赫茲研究院 肖豐 編譯

(a)在半導體砷化鎵(GaAs)的傳導帶結構(黑色拋物線:電子能量對動量)中示意性解釋的所謂縱向光學(Lo)聲子的聲子(波浪線)吸收和(b)受激發射。(a)不同尺寸的藍色圓圈代表室溫下的熱電子分布。聲子是通過將電子從占位幾率較高的狀態提升到占位幾率較低的狀態而被吸收(除去)的。(b)一個強大的THZ場(綠色雙箭頭)將電子分布轉變為一個反轉狀態。現在,聲子的受激發射通過反電子躍遷增加了聲子的數量。(c)金屬狗骨諧振器陣列覆蓋的樣品結構示意圖(橙色)。后者增強了靠近諧振器帶電臂的電場(沿虛線)。(d)作為時間函數的相干聲子的測量振幅(峰下面積),顯示在1.5皮秒的時間內增加了10倍。來源:MBI Berlin

與激光中光的放大類似,半導體晶體的振動,也就是所謂的聲子,是通過與電子電流的相互作用而增強的。強太赫茲(THz)脈沖對金屬半導體納米結構的激發導致縱向光學(LO)聲子在9 THz頻率下放大10倍。將這種晶格運動耦合到傳播聲波上,有可能實現亞納米空間分辨率的超聲成像。

激光的基本原理可以通過晶體中的振動量子應用于聲子。聲子可以被晶格中的電子吸收或發射。聲子的凈放大要求它們通過受激發射每秒發射的數量大于每秒吸收的數量。換句話說,發射的電子一定比吸收聲子的要多。在圖1中示意性地說明了這一條件,其中電子能量被繪制為電子動量k的函數,大致遵循拋物線依賴關系。

對于室溫下電子的熱平衡分布[由圖1(a)中不同尺寸的填充藍圈勾勒],高能電子態的粒子數比低能電子態的粒子數少,從而導致凈聲子吸收。只有當晶體中相應聲子的能量和動量分離的兩個電子態之間存在所謂的粒子數反轉時,才能優先考慮聲子的受激發射[圖1(b)]。對于光學聲子,由于其能量相對較高,這一條件很難滿足。

來自德國柏林的馬克斯伯恩研究所、新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞國家實驗室和紐約州布法羅市紐約州立大學的研究人員現已證明了光學聲子在一種特殊設計的金屬半導體納米結構中的放大作用[圖1(c)]。該系統由一個金屬狗骨天線組成,天線頂部是由GaAs和AlAs組成的層狀半導體結構。這種結構用超短脈沖以太赫茲頻率照射。

一方面,太赫茲脈沖激發縱向光學(Lo)聲子;另一方面,它在厚的GaAs層中驅動電子流。振蕩頻率為9太赫茲(約為人類能聽到的最高頻率的4.5億倍)的低聲子通過與電子的相互作用被放大。聲子振蕩的強度或振幅是通過樣品折射率的伴隨變化來監測的。后者是借助第二個超短脈沖在較高頻率下測量的。圖1(d)顯示了聲子激發的時間演化。在曲線的峰值期間,存在一個凈聲子放大,在峰值下的黃色區域是聲子振蕩振幅的測量。所附的影片顯示了相干聲子振幅的時空演化,根據THZ脈沖的相位顯示聲子衰減[情況圖1(a)]和聲子放大[情況圖1(b)]的兩個周期。

左圖:GaAs光學聲子在薄的AlAs層和厚的GaAs層之間的界面的振幅[圖1(c)]。紅色曲線:在厚的砷化鎵層中,由太赫茲驅動的電子電流引起的低聲子振蕩。藍色曲線:沒有放大機制的聲子振蕩。右:作為從alas/gaas界面到厚gaas層的穿透深度函數的Lo聲子振幅的時空演化(參見左面板中的移動圓)[圖1(c)]。電影清楚地顯示了聲子衰減的交替周期[情況圖1(a)]和聲子放大[情況圖1(b)],這取決于驅動THZ脈沖的相位。來源:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

現在的工作是原則的證明。對于一個可用的高頻聲波源,有必要進一步提高放大率。一旦有了這樣的來源,它就可以用來擴大超聲的范圍,使之接近單個生物細胞的長度尺度。雖然非傳播光學聲子不能直接用于成像,但可以將它們轉換成另一種材料中頻率相同的聲子,并將后者應用于聲像成像。

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