Terahertz-stråling manipulerer halvledere

Ny teknologi tillader observation og manipulation af excitons

Lysemitterende dioder © SXC
læst op

Terahertz-stråling er i det elektromagnetiske spektrum mellem den infrarøde stråling og mikrobølgestråling, det er umærkelig for det blotte øje. Men for videnskaben viser denne stråling sig i stigende grad at være et værdifuldt observationsværktøj. Nu har forskere udviklet en teknologi, der kan bruges af terahertz-stråling i halvlederteknologi.

Anvendelse i halvlederteknologi

For flere år siden havde professor Stephan W. Koch og hans team ved University of Marburg foreslået at bruge terahertz-spektroskopi til at studere såkaldte excitons i halvledere, for eksempel for at undersøge, hvordan lysgenerering i halvlederdioder fungerer nøjagtigt. Deres teoretiske undersøgelser har vist, hvad der siden er blevet bekræftet ved eksperimenter, at terahertz-stråling tillader, at disse excitoner "direkte" observeres, hvilket ikke var muligt med konventionelle metoder.

I en artikel, der nu er blevet offentliggjort i det berømte tidsskrift Physical Review Letters, går Marburg-fysikerne nu et skridt videre. Der viser de, at terahertz-stråling ikke kun kan bruges til at observere excitons, men også til at manipulere dem. De kommer til denne konklusion ved at sammenligne teoretiske resultater med et eksperiment udført af professor Yun-Shik Lee fra det amerikanske universitet i Oregon i Corvallis.

Oplad interaktioner i halvlederen

Excitoner i halvledere er kombinationen af ​​et negativt ladet elektron og et positivt ladet "hul", der danner et bundet par på grund af den attraktive interaktion mellem forskellige ladninger. I princippet opfører en sådan exciton sig som et hydrogenatom, hvori et negativt ladet elektron tiltrækkes af en positivt ladet kerne.

Ligesom med hydrogenatom - tænk på skalmodellen fra kemiundervisning - kan excitons energi tage forskellige, men kun meget specifikke værdier. Hvis elektronet er på den første skal, så at sige, nær hullet, har den en lav energi; Den energi, der er nødvendig for at hæve et elektron til en højere skal (kaldet en "overgang") er i øjeblikket i terahertz-området. udstilling

Tuning tillader manipulation af excitons

Det faktum, at terahertz-stråling er "afstemt" til disse excitoniske overgange, kan udnyttes til at detektere excitons med svage terahertz-lyspulser og til at observere deres opførsel. I eksperimentet blev der dog anvendt stærke, ekstremt korte terahertz-lyspulser, hvis høje intensitet er tilstrækkelig til at forårsage sådanne overgange mellem forskellige energiniveauer, dvs. for at ændre skalkonfigurationen.

I eksperimentet resulterer disse processer indirekte i en målbar ændring i de optiske egenskaber af halvledermaterialet. Ved hjælp af teoretisk modellering af eksperimentet har Marburg-fysikerne været i stand til nøjagtigt at gengive resultaterne af målingen og blandt andet tildele dem til sådanne excitoniske overgange. Det er også særligt vigtigt i eksperimentet, at målingerne er "tidsopløst", dvs. processerne kan spores på en ekstremt kort tidsskala og derfor i detaljer.

Stråling ser også gennem plastik

Først i de senere år har der været en hurtig udvikling af terahertz-teknologi og dens applikationer. En af disse er den såkaldte terahertz-spektroskopi: Dette er en analysemetode, der gør brug af det faktum, at mange materialer interagerer med elektromagnetisk stråling især effektivt i terahertz-området.

Ved hjælp af denne metode kan for eksempel sammensætningen af ​​organiske stoffer og biologiske systemer analyseres mere effektivt end før, eller i medicin kan alvorligheden af ​​forbrændinger diagnosticeres. Da terahertz-stråling let trænger ind i plast og tekstiler, er det også muligt at anvende sikkerhedsapplikationer, hvor folk i lufthavne for eksempel - uden risiko - søges efter skjulte eksplosionsanordninger eller våben.

Excitons som qubits?

Tidligere anvendelser af terahertz-teknologi, såsom terahertz-spektroskopi, der er nævnt ovenfor, bruger imidlertid lavintensitetsstråling, der er tilstrækkelig til at "scanne" visse materialer, men ikke til at ændre deres egenskaber. Der er imidlertid også forskellige anvendelser til anvendelse af stærk terahertz-stråling, som kan tænkes, f.eks. Inden for informationsteknologi:

Hvis det er muligt at kontrollere overgange i et system med to energiniveau med terahertz-lys på en målrettet og sikker måde, kunne sådanne excitoniske overgange som såkaldte qubits teoretisk forekomme i en Kvantecomputer kan bruges. Især med hensyn til sådanne anvendelsesmuligheder er en bedre forståelse af de grundlæggende interaktionsprocesser ønskelig.

(University of Marburg, 10.12.2007 - NPO)