Teraherco spinduliuotė manipuliuoja puslaidininkiais

Nauja technologija leidžia stebėti ir manipuliuoti eksitonais

Šviesos diodai © SXC
skaityti garsiai

Terahercų spinduliuotė yra elektromagnetiniame spektre tarp infraraudonosios ir mikrobangų spinduliuotės, ji yra nepastebima plika akimi. Tačiau mokslui ši radiacija vis labiau įrodo esanti vertinga stebėjimo priemonė. Dabar mokslininkai sukūrė technologiją, kurią gali naudoti terahercinė radiacija puslaidininkių technologijoje.

Taikymas puslaidininkių technologijoje

Prieš keletą metų profesorius Stephanas W. Kochas ir jo komanda Marburgo universitete pasiūlė naudoti teraherco spektroskopiją, norėdami ištirti vadinamuosius eksitonus puslaidininkiuose, pavyzdžiui, ištirti, kaip tiksliai veikia šviesos generacija puslaidininkių dioduose. Jų teoriniai tyrimai parodė, kas nuo to laiko buvo patvirtinta eksperimentais, kad terahercų spinduliuotė leidžia „tiesiogiai“ pastebėti šiuos eksitonus, o tai nebuvo įmanoma naudojant įprastus metodus.

Straipsnyje, kuris dabar buvo paskelbtas garsiame žurnale „Physical Review Letters“, Marburgo fizikai žengia dar vieną žingsnį į priekį. Ten jie rodo, kad terahercinę spinduliuotę galima naudoti ne tik eksitonams stebėti, bet ir jais manipuliuoti. Jie priėjo prie šios išvados palyginę teorinius rezultatus su eksperimentu, kurį atliko Amerikos Oregono universiteto Korvalyje profesorius Yun-Shik Lee.

Įkrovimo sąveika puslaidininkyje

Puslaidininkių egzitonai yra neigiamai įkrauto elektrono ir teigiamai įkrautos „skylės“ derinys, sudarantis surištą porą dėl patrauklios skirtingų krūvių sąveikos. Iš esmės toks eksitonas elgiasi kaip vandenilio atomas, kuriame neigiamai įkrautas elektronas traukiasi į teigiamai įkrautą branduolį.

Kaip ir vandenilio atomas - pagalvokite apie apvalkalo modelį iš chemijos pamokų - eksitono energija gali turėti skirtingas, bet tik labai specifines reikšmes. Jei elektronas yra ant pirmojo apvalkalo, taip sakant, šalia skylės, jis turi mažai energijos; Energija, reikalinga elektronui pakelti į aukštesnį apvalkalą (vadinamą „perėjimu“), šiuo metu yra terahercų diapazone. displėjus

Derinimas leidžia manipuliuoti eksitonais

Tai, kad terahercinė spinduliuotė yra „suderinta“ su šiais eksitoniniais perėjimais, galima panaudoti norint aptikti eksitonus su silpnais teraherciniais šviesos impulsais ir stebėti jų elgesį. Tačiau eksperimente buvo naudojami stiprūs, ypač trumpi teraherciniai šviesos impulsai, kurių pakanka didelio intensyvumo, kad būtų galima sukelti tokius perėjimus tarp skirtingų energijos lygių, ty pakeisti apvalkalo konfigūraciją.

Eksperimente šie procesai netiesiogiai lemia išmatuojamą puslaidininkio medžiagos optinių savybių pasikeitimą. Teoriškai modeliuodami eksperimentą, Marburgo fizikams pavyko tiksliai atkurti matavimo rezultatus ir, be kita ko, priskirti juos tokiems eksitoniniams perėjimams. Taip pat eksperimente ypač svarbu, kad matavimai būtų „nustatomi pagal laiką“, ty procesus būtų galima sekti per labai trumpą laiko tarpą ir todėl labai išsamiai.

Spinduliuotę mato ir plastikas

Tik pastaraisiais metais sparčiai vystėsi terahercų technologija ir jos taikymai. Vienas iš jų yra vadinamoji terahercinė spektroskopija: Tai yra analizės metodas, kuriuo pasinaudojama tuo, kad daugelis medžiagų ypač efektyviai sąveikauja su elektromagnetine spinduliuote terahercų diapazone.

Pavyzdžiui, naudojant šį metodą, efektyviau nei anksčiau galima ištirti organinių medžiagų ir biologinių sistemų sudėtį, arba medicinoje galima diagnozuoti nudegimų sunkumą. Kadangi terahercinė spinduliuotė lengvai prasiskverbia pro plastiką ir tekstilę, taip pat yra saugumo priemonių, kurių metu, pavyzdžiui, oro uostuose ieškoma paslėptų sprogstamųjų įtaisų ar ginklų.

Excitons kaip kvbitai?

Tačiau ankstesniuose terahercų technologijos taikymuose, tokiuose kaip aukščiau paminėta terahercų spektroskopija, naudojama mažo intensyvumo radiacija, kurios pakanka tam tikroms medžiagoms „nuskaityti“, bet ne jų savybėms pakeisti. Tačiau yra ir įvairių galimų galimų stiprių terahercinių spinduliuotės panaudojimo būdų, pavyzdžiui, informacinėse technologijose:

Jei įmanoma tikslingai ir saugiai valdyti perėjimus sistemoje su dviem energijos lygiais su terahercų šviesa, tokie egzitoniniai perėjimai, kaip vadinamosios kvotos, teoriškai galėtų įvykti viename. Galima naudoti kvantinį kompiuterį. Pageidautina geriau suprasti pagrindinius sąveikos procesus, ypač kalbant apie tokias taikymo galimybes.

(Marburgo universitetas, 2007 12 10 - NPO)