La espectroscopia de terahercios detecta y controla propiedades de la materia con campos electromagnéticos que se encuentran en el rango de frecuencia entre unos pocos cientos de gigahercios y varios terahercios (abreviado como THz). En los sistemas de muchos cuerpos , varios de los estados relevantes tienen una diferencia de energía que coincide con la energía de un fotón THz . Por lo tanto, la espectroscopia THz proporciona un método particularmente poderoso para resolver y controlar transiciones individuales entre diferentes estados de muchos cuerpos. Al hacer esto, se obtienen nuevos conocimientos sobre la cinética cuántica de muchos cuerpos y cómo se puede utilizar para desarrollar nuevas tecnologías optimizadas hasta el nivel cuántico elemental.
Ya se utilizan ampliamente diferentes excitaciones electrónicas dentro de semiconductores en láseres , componentes electrónicos y ordenadores . Al mismo tiempo, constituyen un interesante sistema de muchos cuerpos cuyas propiedades cuánticas pueden modificarse, por ejemplo, mediante un diseño nanoestructurado . En consecuencia, la espectroscopia THz en semiconductores es relevante para revelar nuevos potenciales tecnológicos de las nanoestructuras y para explorar de forma controlada las propiedades fundamentales de los sistemas de muchos cuerpos.
Existe una gran variedad de técnicas para generar radiación de THz y detectar campos de THz. Se puede utilizar, por ejemplo, una antena , un láser de cascada cuántica , un láser de electrones libres o rectificación óptica para producir fuentes de THz bien definidas. El campo de THz resultante se puede caracterizar mediante su campo eléctrico E THz ( t ). Los experimentos actuales ya pueden generar E THz ( t ), que tiene un valor máximo en el rango de MV/cm (megavoltios por centímetro). [1] Para estimar qué tan fuertes son tales campos, se puede calcular el nivel de cambio de energía que dichos campos inducen a un electrón a una distancia microscópica de un nanómetro (nm), es decir, L = 1 nm. Simplemente se multiplica el pico E THz ( t ) con la carga elemental e y L para obtener e E THz ( t ) L = 100 meV. En otras palabras, tales campos tienen un efecto importante en los sistemas electrónicos porque la mera intensidad del campo de E THz ( t ) puede inducir transiciones electrónicas en escalas microscópicas . Una posibilidad es utilizar dichos campos de THz para estudiar las oscilaciones de Bloch [2] [3] donde los electrones semiconductores se mueven a través de la zona de Brillouin , solo para regresar al lugar donde comenzaron, dando lugar a las oscilaciones de Bloch.
Las fuentes de THz también pueden ser extremadamente cortas, [4] hasta un solo ciclo de oscilación del campo de THz. Para un THz, eso significa una duración en el rango de un picosegundo (ps). En consecuencia, se pueden utilizar campos THz para monitorear y controlar procesos ultrarrápidos en semiconductores o para producir conmutación ultrarrápida en componentes semiconductores. Obviamente, la combinación de una duración ultrarrápida y un pico fuerte E THz ( t ) proporciona nuevas y amplias posibilidades para los estudios sistemáticos en semiconductores.
Además de la fuerza y duración de E THz ( t ), la energía fotónica del campo THz juega un papel vital en las investigaciones de semiconductores porque puede hacerse resonante con varias transiciones intrigantes de muchos cuerpos. Por ejemplo, los electrones en la banda de conducción y los huecos , es decir, las vacantes electrónicas, en la banda de valencia se atraen entre sí mediante la interacción de Coulomb . En condiciones adecuadas, los electrones y los huecos pueden unirse a excitones que son estados de la materia similares al hidrógeno. Al mismo tiempo, la energía de unión del excitón es de pocos a cientos de meV y puede igualarse energéticamente con un fotón de THz. Por lo tanto, la presencia de excitones se puede detectar de forma única [5] [6] basándose en el espectro de absorción de un campo débil de THz. [7] [8] También los estados simples, como el plasma y el plasma con huecos de electrones correlacionados [9], pueden monitorearse o modificarse mediante campos de THz.
En espectroscopia óptica, los detectores suelen medir la intensidad del campo luminoso en lugar del campo eléctrico porque no existen detectores que puedan medir directamente campos electromagnéticos en el rango óptico. Sin embargo, existen múltiples técnicas, como antenas y muestreo electroóptico , que se pueden aplicar para medir la evolución temporal de E THz ( t ) directamente. Por ejemplo, se puede propagar un pulso de THz a través de una muestra de semiconductor y medir los campos transmitidos y reflejados en función del tiempo. Por lo tanto, se recopila información de la dinámica de excitación de semiconductores completamente en el dominio del tiempo, que es el principio general de la espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios .
Utilizando pulsos cortos de THz, [4] ya se han estudiado una gran variedad de fenómenos físicos. Para semiconductores intrínsecos no excitados se puede determinar la permitividad compleja o el coeficiente de absorción de THz y el índice de refracción, respectivamente. [11] La frecuencia de los fonones ópticos transversales , a los que se pueden acoplar los fotones THz, se encuentra para la mayoría de los semiconductores en varios THz. [12] Los portadores libres en semiconductores dopados o semiconductores excitados ópticamente provocan una absorción considerable de fotones THz. [13] Dado que los pulsos de THz pasan a través de materiales no metálicos, pueden usarse para la inspección y transmisión de artículos empaquetados.
Los campos de THz se pueden aplicar para acelerar electrones fuera de su equilibrio. Si esto se hace lo suficientemente rápido, se pueden medir los procesos elementales, como la rapidez con la que se construye la detección de la interacción de Coulomb. Esto fue explorado experimentalmente en la Ref. [14] donde se demostró que el cribado se completa en decenas de femtosegundos en semiconductores. Estos conocimientos son muy importantes para comprender cómo se comporta el plasma electrónico en sólidos .
La interacción de Coulomb también puede emparejar electrones y huecos en excitones, como se analizó anteriormente. Debido a su analogía con el átomo de hidrógeno , los excitones tienen estados ligados que pueden identificarse de forma única mediante los números cuánticos habituales 1 s , 2 s , 2 p , etc. En particular, la transición de 1 s a 2 p es dipolo permitida y puede generarse directamente mediante E THz ( t ) si la energía del fotón coincide con la energía de transición. En sistemas de tipo arseniuro de galio , esta energía de transición es de aproximadamente 4 meV, que corresponde a fotones de 1 THz. En resonancia, el dipolo d 1 s ,2 p define la energía Rabi Ω Rabi = d 1 s ,2 p E THz ( t ) que determina la escala de tiempo en la que se produce la transición de 1 s a 2 p .
Por ejemplo, se puede excitar la transición excitónica con un impulso óptico adicional que esté sincronizado con el impulso de THz. Esta técnica se llama espectroscopia THz transitoria. [4] Usando esta técnica se puede seguir la dinámica de formación de excitones [7] [8] u observar la ganancia de THz que surge de las transiciones intraexcitónicas. [15] [16]
Dado que un pulso de THz puede ser intenso y corto, por ejemplo, de un solo ciclo, es posible experimentalmente realizar situaciones en las que la duración del pulso, la escala de tiempo relacionada con Rabi- así como la energía del fotón de THz ħω estén degeneradas. En esta situación, se entra en el ámbito de la óptica no lineal extrema [17], donde las aproximaciones habituales, como la aproximación de onda giratoria (abreviada como RWA) o las condiciones para la transferencia completa de estado, fallan. Como resultado, las oscilaciones de Rabi se distorsionan fuertemente por las contribuciones no RWA, los procesos de absorción o emisión multifotónica y el efecto dinámico Franz-Keldysh , como se mide en las referencias. [18] [19]
Al utilizar un láser de electrones libres, se pueden generar pulsos de THz más largos que son más adecuados para detectar las oscilaciones de Rabi directamente. De hecho, esta técnica podría demostrar las oscilaciones de Rabi, o en realidad la división Autler-Townes relacionada, en experimentos. [20] La división de Rabi también se ha medido con un pulso corto de THz [21] y también se ha detectado el inicio de la ionización de fotones multi-THz, [22] a medida que los campos de THz se hacen más fuertes. Recientemente, también se ha demostrado que la interacción de Coulomb hace que las transiciones intraexcitónicas nominalmente prohibidas por dipolos se permitan parcialmente. [23]
Las transiciones de terahercios en sólidos pueden abordarse sistemáticamente generalizando las ecuaciones de Bloch de semiconductores [9] y la dinámica de correlación de muchos cuerpos relacionada. En este nivel, uno se da cuenta de que el campo de THz es absorbido directamente por correlaciones de dos partículas que modifican la cinética cuántica de las distribuciones de electrones y huecos. Por lo tanto, un análisis sistemático de THz debe incluir la cinética cuántica de las correlaciones de muchos cuerpos, que pueden tratarse sistemáticamente, por ejemplo, con el enfoque de expansión de conglomerados . En este nivel, se puede explicar y predecir una amplia gama de efectos con la misma teoría, que van desde la respuesta similar a Drude [13] del plasma hasta efectos no lineales extremos de los excitones.