5000 gange hurtigere end en computer - interatomisk lysensretter genererer rettede elektriske strømme

Absorptionen af ​​lys i halvlederkrystaller uden inversionssymmetri kan generere elektriske strømme. Forskere ved Max Born Institute har nu genereret rettede strømme ved terahertz (THz) frekvenser, meget højere end clock-hastighederne for nuværende elektronik. De viser, at elektronisk ladningsoverførsel mellem naboatomer i krystalgitteret repræsenterer den underliggende mekanisme.

Solceller omdanner lysets energi til en elektrisk jævnstrøm (DC), som føres ind i et elektrisk forsyningsnet. Nøgletrin er adskillelsen af ​​ladninger efter lysabsorption og deres transport til enhedens kontakter. De elektriske strømme bæres af negative (elektroner) og positive ladningsbærere (huller), der udfører såkaldte intraband-bevægelser i forskellige elektroniske bånd af halvlederen. Fra et fysisk synspunkt, følgende spørgsmål er væsentlige:hvad er den mindste enhed i en krystal, som kan give en foto-induceret jævnstrøm (DC)? Op til hvilken maksimal frekvens kan man generere sådanne strømme? Hvilke mekanismer på atomær skala er ansvarlige for sådan ladningstransport?

Den mindste enhed af en krystal er den såkaldte enhedscelle, et veldefineret arrangement af atomer bestemt af kemiske bindinger. Enhedscellen af ​​prototypehalvlederen GaAs er vist i figur 1a og repræsenterer et arrangement af Ga- og As-atomer uden et inversionscenter. I grundtilstanden af ​​krystallen repræsenteret af det elektroniske valensbånd, valenselektronerne er koncentreret om bindingerne mellem Ga- og As-atomerne (figur 1b). Ved absorption af nær-infrarødt eller synligt lys, en elektron forfremmes fra valensbåndet til det næste højere bånd, ledningsbåndet. I den nye stat, elektronladningen forskydes mod Ga-atomerne (Figur 1b). Denne ladningsoverførsel svarer til en lokal elektrisk strøm, mellembåndet eller skiftestrømmen, hvilket er fundamentalt forskelligt fra elektronbevægelserne i intrabandstrømme. Indtil for nylig, der har været en kontroversiel debat blandt teoretikere, om de eksperimentelt observerede foto-inducerede strømme skyldes intraband- eller interband-bevægelser.

Forskere ved Max Born Instituttet i Berlin, Tyskland, har undersøgt optisk inducerede skiftstrømme i halvlederen galliumarsenid (GaAs) for første gang på ultrahurtige tidsskalaer ned til 50 femtosekunder (1 fs =10 ^-15 sekunder). De rapporterer deres resultater i det aktuelle nummer af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve 121, 266602 (2018). Ved hjælp af ultrakort, intense lysimpulser fra det nære infrarøde (λ =900 nm) til det synlige (λ =650 nm, orange farve), de genererede skiftstrømme i GaAs, som oscillerer og, dermed, udsender terahertz-stråling med en båndbredde på op til 20 THz (figur 2). Egenskaberne af disse strømme og de underliggende elektronbevægelser reflekteres fuldt ud i de udsendte THz-bølger, som detekteres i amplitude og fase. THz-strålingen viser, at de ultrakorte strømudbrud af ensrettet lys indeholder frekvenser, som er 5.000 gange højere end den højeste clock-rate i moderne computerteknologi.

Egenskaberne af de observerede skiftstrømme udelukker definitivt en intrabåndbevægelse af elektroner eller huller. I modsætning, modelberegninger baseret på interband-overførsel af elektroner i en pseudo-potentiel båndstruktur reproducerer de eksperimentelle resultater og viser, at en real-space-overførsel af elektroner over afstanden i størrelsesordenen en bindingslængde repræsenterer nøglemekanismen. Denne proces er operativ inden for hver enhedscelle i krystallen, dvs. på en sub-nanometer længde skala, og forårsager ensretning af det optiske felt. Effekten kan udnyttes ved endnu højere frekvenser, tilbyder nye interessante applikationer inden for højfrekvent elektronik.