Absorption av ljus i halvledarkristaller utan inversionssymmetri kan generera elektriska strömmar. Forskare vid Max Born Institute har nu genererat riktade strömmar vid terahertz (THz) frekvenser, mycket högre än klockfrekvensen för nuvarande elektronik. De visar att elektronisk laddningsöverföring mellan angränsande atomer i kristallgitteret representerar den bakomliggande mekanismen.

Solceller omvandlar ljusets energi till en elektrisk likström (DC) som matas in i ett elnät. Viktiga steg är separering av laddningar efter ljusabsorption och deras transport till enhetens kontakter. De elektriska strömmarna bärs av negativa (elektroner) och positiva laddningsbärare (hål) som utför så kallade intrabandrörelser i olika elektroniska band i halvledaren. Ur fysik synvinkel, följande frågor är väsentliga:vad är den minsta enheten i en kristall som kan ge en fotoinducerad likström (DC)? Upp till vilken maxfrekvens kan man generera sådana strömmar? Vilka mekanismer i atomskala är ansvariga för sådan laddningstransport?

Den minsta enheten i en kristall är den så kallade enhetscellen, ett väldefinierat arrangemang av atomer bestämt av kemiska bindningar. Enhetscellen för prototypen halvledare GaAs visas i figur la och representerar ett arrangemang av Ga- och As -atomer utan ett inverteringscentrum. I grundtillståndet för kristallen som representeras av det elektroniska valensbandet, valenselektronerna är koncentrerade på bindningarna mellan Ga- och As -atomerna (figur 1b). Vid absorption av nära-infrarött eller synligt ljus, en elektron främjas från valensbandet till nästa högre band, ledningsbandet. I det nya tillståndet, elektronladdningen förskjuts mot Ga -atomerna (figur 1b). Denna laddningsöverföring motsvarar en lokal elektrisk ström, mellanbandet eller skiftströmmen, som är fundamentalt annorlunda än elektronrörelserna i intrabandströmmar. Tills nyligen, det har varit en kontroversiell debatt bland teoretiker om de experimentellt observerade fotoinducerade strömmarna beror på intraband eller interbandrörelser.

Forskare vid Max Born Institute i Berlin, Tyskland, har undersökt optiskt inducerade skiftströmmar i halvledaren galliumarsenid (GaAs) för första gången på ultrasnabba tidsskalor ner till 50 femtosekunder (1 fs =10 ^-15 sekunder). De rapporterar sina resultat i det aktuella numret av tidningen Fysiska granskningsbrev 121, 266602 (2018). Med ultrakort, intensiva ljuspulser från det nära infraröda (λ =900 nm) till det synliga (λ =650 nm, orange färg), de genererade skiftströmmar i GaAs som oscillerar och, Således, avge terahertz -strålning med en bandbredd på upp till 20 THz (figur 2). Egenskaperna för dessa strömmar och de underliggande elektronrörelserna reflekteras helt i de utsända THz -vågorna som detekteras i amplitud och fas. THz -strålningen visar att ultrakortströmmarna av rättat ljus innehåller frekvenser som är 5000 gånger högre än den högsta klockfrekvensen för modern datorteknik.

Egenskaperna hos de observerade skiftströmmarna utesluter definitivt en intrabandrörelse av elektroner eller hål. I kontrast, modellberäkningar baserade på interbandöverföring av elektroner i en pseudopotentialbandsstruktur reproducerar experimentella resultat och visar att en real-space-överföring av elektroner över avståndet i storleksordningen en bindningslängd representerar nyckelmekanismen. Denna process är operativ inom varje enhetscell i kristallen, d.v.s. på en sub-nanometer längdskala, och orsakar rättelse av det optiska fältet. Effekten kan utnyttjas vid ännu högre frekvenser, erbjuder nya intressanta applikationer inom högfrekvent elektronik.