WHITEPAPER
THz-Forschung profitiert von der Leistung des Femtosekunden-Verstärkers von Coherent
Durch die Kombination von hoher Pulsenergie und Pulswiederholrate eines stabilen Coherent Elite Duo werden intensive CEP-stabile THz-Pulse ermöglicht, die zur Untersuchung des Verhaltens von Hochfeldelektronen in Halbleitern verwendet werden.
Einleitung
Im Labor von Professor Rupert Huber an der Universität Regensburg wird ein Coherent Ultrafast Verstärker, Modell Legend Elite Duo, zur Erzeugung von CEP-stabilisierten THz-Pulsen verwendet. Diese Impulse werden verwendet, um das Verhalten von Elektronen in GaSe-Proben unter dem Einfluss transienter THz-Felder von annähernd 100 MV/cm zu untersuchen. Durch elektrooptisches „stroboskopisches“ Gating des resultierenden Signals mit einem 8-fs-Impuls in einem GaSe-Detektor liefern die Daten wichtige Informationen über Bloch-Oszillationen sowie kohärente und interferierende Leitungsmechanismen, die nur bei diesen hohen Feldern und kurzen Zeitintervallen sichtbar werden [1 ]. Diese Informationen können im aufstrebenden Bereich der kohärenten Elektronik und potenziell kohärenten elektronischen Computing mit THz-Rate verwendet werden. Als Nebeneffekt wird gezeigt, dass das von der Probe abgestrahlte Signal die Form einer ausgedehnten "Leiter" von Oberwellen hoher Ordnung annimmt, die eindeutig von <0,1 THz im fernen Infrarot bis zu 675 THz im Ultraviolett reicht und mit vollständiger Phasenstabilität für den Einsatz in photonischen Experimenten gesperrt ist. Die hohe Feldamplitude und die hochharmonische, stabile CEP-Erzeugung werden durch die Pulsenergie und die Stabilität des Legend Elite Verstärkers ermöglicht.
Neue Grenzen in der Festkörperelektronik
Die Leistung und Dichte der Mikroelektronik nimmt gemäß dem Mooreschen Gesetz scheinbar unaufhaltsam zu. Die größte Herausforderung, um mit dieser übergreifenden Branchen-Roadmap Schritt zu halten, bestand viele Jahre lang in der Herstellung immer kleinerer Strukturen, wodurch die Mikrolithographie weit über die angenommene Beugungsgrenze hinaus vorangetrieben wurde. Wenn jedoch die Gate-Linien und andere Merkmale auf einige zehn Nanometer geschrumpft werden, beginnen die inhärenten Materialeigenschaften Hürden darzustellen, wie z. B. die zunehmende Verwendung von Dielektrika mit niedrigem . Zu den neuen Herausforderungen gehören andere Effekte aufgrund der extrem hohen elektrischen Felder und das Auftreten von Kohärenz-/Quantenphänomenen, die sich aus der Schrumpfung der physikalischen Dimensionen ergeben. Der kontinuierliche Fortschritt der integrierten Elektronik, einschließlich der sogenannten kohärenten Elektronik, erfordert ein tieferes Verständnis dafür, wie sich Elektronen (und Löcher) unter diesen extremen Bedingungen verhalten.
Da beispielsweise elektrische Felder in den neuesten ICs vorübergehend 1 MV/cm überschreiten können, möchten Festkörperphysiker wissen, wie grundlegende Ladungstransportmechanismen bei Feldern dieser Größenordnung und höher variieren. Dies liegt daran, dass typische Durchschlagsfelder für viele Halbleitermaterialien etwa 1 MV/cm betragen und es bei Anwendung höherer Felder schnell zu Ausfällen (sogar zu Verbrennungen) kommt. Eine Lösung, die es ermöglicht, noch höhere Felder für einige Femtosekunden sicher anzulegen, ist der Einsatz Ultrafast-THz-Pulse.
Warum THz-Pulse?
THz-Strahlung ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich liegt. Da es bekanntermaßen schwierig ist, THz-Strahlung mit nützlicher Intensität mit herkömmlichen Methoden (z. B. Schwarzkörperverfahren) zu erzeugen, ist dieses Strahlungsfenster erst mit der jüngsten Entwicklung laserbasierter Methoden und cleverer Hochgeschwindigkeitserkennungssysteme von einer Kuriosität zu einem wichtigen geworden Werkzeug in verschiedenen wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen.
Wie hier beschrieben, ermöglichen Frequenzmischtechniken mit Ultrafast Lasern die Erzeugung kohärenter breitbandiger THz-Pulse mit Energien von bis zu 30 Mikrojoule und Pulsdauern von einigen zehn Femtosekunden oder weniger. Diese Impulse sind für die Untersuchung von Halbleitern nützlich, da sie, wenn sie in eine Probe fokussiert werden, lokale elektrische Felder von annähernd 100 MV/cm erzeugen können. Da die Energie eines THz-Photons zwei Größenordnungen oder weniger als die typische Halbleiterbandlücke beträgt, können hohe THz-Felder als präzise einstellbare Vorspannung dienen. Darüber hinaus kann die momentane Feldstärke zwar zwei Größenordnungen größer sein als die typische DC-Durchbruchspannung für viele Halbleiter, doch die kurze Dauer (Femtosekunde) der Impulse bedeutet, dass daraus resultierende Hochfeldeffekte untersucht werden können, ohne dass tatsächlich das Risiko eines Materialdurchschlags besteht auftreten.
Erzeugung CEP-stabilisierter kohärenter THz-Impulse
Im Jahr 2008 demonstrierte die Huber-Gruppe eine Methode zur Erzeugung von THz-Pulsen, bei der die Phase zwischen den Schwingungen des elektrischen Feldes und der Trägerhüllkurve des Pulses sehr stabil und leicht einstellbar ist. Die hier beschriebene Arbeit ist die erste Verwendung dieser CEP-stabilisierten THz-Pulse zur Untersuchung des Ladungstransports in einem Halbleiter, in diesem Fall Galliumselenid (GaSe). (Frühere Forschungsstudien anderer Gruppen hatten die Auswirkungen intensiver, nicht CEP-stabilisierter THz-Impulse auf Halbleiter untersucht.) Es wurde erwartet, dass die Möglichkeit, die CEP-Verzögerung anzupassen, bisher verborgene Informationen über Leitungswege offenlegen könnte.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist das Herzstück ihres Aufbaus ein Coherent Legend Elite Duo-Ultrafast-Verstärker, der von einem gepulsten Coherent Evolution-Laser gepumpt wird. Der Verstärker wird von einem Coherent Titan-Saphir-Vitara-Laseroszillator gespeist, der von einem rauscharmen Coherent Verdi-Laser gepumpt wird. Der Verstärkerausgangsstrahl wird zum Pumpen zweier abstimmbarer optisch-parametrischer Verstärker (OPAs) verwendet. Die Signalwellenlängen dieser beiden OPAs sind so abgestimmt, dass sie einen Terahertz-Frequenzunterschied (z. B. 30 THz) zwischen ihren Ausgängen erzeugen, wenn sie in einem geeigneten Differenzfrequenzerzeugungskristall (DFG) kombiniert werden. Der Einsatz der DFG-Technik gewährleistet, dass die resultierenden Pulse „passiv“ CEP-stabil sind, ohne dass jedoch ein CEP-stabilisierter Pumplaser erforderlich ist.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Systems, das in dieser THz-Forschung verwendet wird.
Im Vergleich zu anderen Methoden zur Erzeugung von THz-Pulsen hat Hubers Methode mehrere Vorteile. Erstens sind die THz-Impulse kohärent und ermöglichen die Erzeugung eines hohen elektrischen Feldes, wenn sie in einen Halbleiter oder ein dielektrisches Material fokussiert werden. Außerdem lässt sich die mittlere Wellenlänge des THz-Impulses leicht abstimmen, indem man einfach den Frequenzunterschied (Wellenlängenunterschied) zwischen den beiden OPAs abstimmt. Solche Impulse ermöglichen es Forschern, Effekte als Funktion mehrerer Parameter zu untersuchen: Elektrische Feldstärke, THz-Frequenz und CEP-Offset.
Die Notwendigkeit eines leistungsstarken Verstärkers
Das Herzstück des in dieser Forschung verwendeten Lasersystems ist ein Titan-Saphir-Verstärker, der vor allem aufgrund seiner hohen Pulsenergie, hohen Wiederholungsrate (und damit hohen Durchschnittsleistung), überlegenen Strahlqualität und einfachen Kühlung ausgewählt wurde. Wir untersuchen nun, warum diese Eigenschaften von entscheidender Bedeutung sind und wie das Legend Elite Duo diese Kombination von Vorteilen auf einzigartige Weise bietet.
Laut Huber-Teammitglied Dr. Olaf Schubert ist „eine hohe Pulsenergie aus zwei Gründen wichtig.“ Dies führt zunächst zur höchsten THz-Pulsenergie und damit zu den höchsten transienten Feldern in der Halbleiterprobe. Und genauso wichtig ist, dass diese Methode zur Erzeugung CEP-stabilisierter THz-Impulse auf der Verwendung zweier OPAs beruht, die vollständig phasenkorreliert sind. Der einzige direkte Weg, diese Korrelation zu erreichen, besteht darin, beide OPAs von einer einzigen Verstärkerquelle anzutreiben, die sowohl die Antriebsleistung des Verstärkers als auch einen einzelnen Weißlicht-Seed-Impuls für beide OPAs bereitstellen muss.“ Als das Huber-THz-Setup zum ersten Mal zusammengestellt wurde, war die höchste Die verfügbare Pulsenergie bei der gewünschten Wiederholrate von 3 kHz betrug 5 Millijoule vom Legend Elite Duo.*
Bei dieser Art von Studie ermöglicht eine hohe Wiederholungsrate die Durchführung von Multiparameter-Experimenten in kürzeren Zeiträumen, trotz aller nichtlinearen Wechselwirkungen, die diese Experimente mit sich bringen. Legend Elite liefert selbst bei 3 kHz eine hohe Pulsenergie, wenn er vom leistungsstarken Evolution -HE– gepumpt wird, einem frequenzverdoppelten Nd:YLF-Laser, der bis zu 15 mJ/Puls bei 3 kHz liefert.
Strahlqualität (d. h. niedriger M2 ) und geringes Rauschen sind wichtig, da ein OPA ein nichtlineares Gerät ist. Tatsächlich hängt seine Effizienz (und damit Ausgangsleistung) erheblich von der Strahlqualität des Pumplasers ab. Darüber hinaus werden die THz-Erzeugung und insbesondere ihre höheren Harmonischen durch Amplitudenrauschen im Pumpstrahl negativ beeinflusst, da es sich um nichtlineare Prozesse handelt, bei denen jegliche Eingangsleistungsschwankung verstärkt wird. Eine bessere Strahlqualität und ein besseres Rauschen können das SNR der Daten erheblich verbessern und die Datenerfassungszeiten verkürzen.
Abbildung 2. Die Wellenform des THz-Antriebsfelds (blaue, durchgezogene Kurve) weist eine Gaußsche Hüllkurve (schwarze gestrichelte Kurve) mit einer Intensitätshalbwertsbreite von 109 fs auf, die drei optische Zyklen enthält. Der Transiente wurde elektrooptisch in einem GaSe-Sensor (Dicke 40 µm) mit einem 8 fs langen Nahinfrarot-Gate-Impuls (Mittenwellenlänge 0,84 µm) aufgezeichnet.
Coherent Legend-Verstärker sind so konzipiert, dass sie sowohl kurz- als auch langfristig eine gleichbleibend hohe Strahlqualität und ein hohes Rauschen bieten, sodass jeder experimentelle Datensatz nicht nur schnell erfasst, sondern auch sehr gut wiederholbar ist.
Elektrooptische Detektion – THz-Signalabtastung mit Femtosekundengeschwindigkeit
Wie bereits erwähnt, erzeugen die intensiven THz-Impulse bei Fokussierung auf eine Halbleiterprobe (GaSe) ein elektrisches Feld von 100 MV/cm, das auf einer Femtosekunden-Zeitskala oszilliert. Das Feld regt Elektronen im GaSe an und ihre Dynamik kann mit Femtosekunden-Auflösung überwacht werden, indem die THz-Strahlung, die als Ergebnis dieser oszillierenden Anregung wieder emittiert wird, „stroboskopisch“ erfasst wird.
Diese THz-Signalimpulse werden mithilfe des Pockels-Effekts aufgezeichnet. In einer herkömmlichen Pockels-Zelle wird ein elektrisches Hochspannungsfeld an einen Kristall wie KD*P angelegt. Dadurch dreht der Kristall die Polarisation der einfallenden optischen Strahlung. Die Hinzufügung eines Kreuzpolarisators führt zu einem aktiven optischen Schalter. In der hier beschriebenen Forschung ersetzt das THz-Feld das relativ langsame elektrische Feld und induziert eine vorübergehende Doppelbrechung. Die schnelle Erfassung der THz-Feldoszillationen erfolgt durch die Erkennung von Polarisationsverschiebungen bei der Übertragung von Superkontinuumsimpulsen, die durch die Fokussierung eines Teils des OPA-Ausgangs in einen YAG-Kristall und die anschließende Rekomprimierung dieser spektral breiten Impulse auf eine Impulsbreite von 8 fs erzeugt werden – siehe Abbildung 1. (In a In einer Reihe früherer Experimente wurden diese Impulse von einem Faserlaser erzeugt [2].)
Darüber hinaus wird das zeitlich gemittelte Signal mittels eines dispersiven Monochromators, der mit einem InGaAs-Diodenarray und einem Silizium-CCD ausgestattet ist, im Frequenzbereich abgebildet. Zusammen mit den von Pockels erfassten Daten ermöglicht dieser Aufbau die Kartierung des emittierten Spektrums vom Terahertz-Bereich über das ferne Infrarot bis zum sichtbaren Spektrum
Auswirkungen auf die Elektronik – Bloch-Oszillationen und mehr.
Felix Bloch sagte vor 85 Jahren voraus, dass hochbeschleunigte Elektronen in einem periodischen Festkörper wie diesen GaSe-Proben schnelle Oszillationen durchlaufen würden, weil ihre effektive Wellenlänge auf der gleichen Größenskala wie das Kristallgitter liegen würde [3]. (Dies ist analog zur bekannten Interferenz zwischen Photonen und periodischen Strukturen bei längeren Wellenlängen). Allerdings sind Bloch-Oszillationen in natürlichen Festkörpern aufgrund der sehr schnellen Streuung der Elektronen kaum zu beobachten [4]. Durch die Verwendung von Femtosekunden-THz-Pulsen wird die Anregungszeitspanne vergleichbar oder schneller als der Streuprozess und die oszillierenden Elektronen emittieren nachweisbare elektromagnetische Strahlung im gesamten Frequenzbereich von 0,1 bis 675 THz.
Technisch ausgedrückt: Da der THz-Anregungsimpuls das externe elektrische Feld schnell umschaltet, durchlaufen die Elektronen Übergänge zwischen Valenz- und Leitungsbändern. Dies wäre bei linearer optischer Absorption aufgrund der geringen Photonenenergien nicht möglich. Darüber hinaus reagieren die Details der resultierenden Emission sehr empfindlich auf Änderungen im CEP-Offset des Anregungsimpulses.
Figur 3. Die oszillierende Anregung von Elektronen in der GaSe-Probe führt zur Emission einer erweiterten Harmonischenleiter von 0,1 THz bis 675 THz.
Die Gruppen von Stephan W. Koch und Mackillo Kira von der Universität Marburg haben in Zusammenarbeit mit Torsten Meier von der Universität Paderborn diese Abhängigkeit erfolgreich analysiert, indem sie eine vollständige Quanten-Vielteilchentheorie entwickelt haben, die weit über Blochs bahnbrechende Vorhersage hinausgeht [5]. . Vereinfacht ausgedrückt zeigten sie, dass drei verschiedene Valenzbänder und zwei Leitungsbänder beteiligt sind. Diese komplexe Situation bietet mehrere Anregungswege zwischen den Valenz- und Leitungsbändern (siehe Abbildung 4). Sie zeigen, dass die beobachtete CEP-Abhängigkeit auf Interferenzen zwischen den verschiedenen Signalwegen zurückzuführen ist.
Abbildung 4. Elektronen können sich in GaSe zwischen fünf verschiedenen Bändern bewegen – drei Valenzbändern und zwei Leitungsbändern – und so mehrere Anregungswege bereitstellen.
Vereinfacht ausgedrückt offenbaren diese einzigartigen Daten bisher verborgene quantenelektronische Phänomene, die für zukünftige Halbleiterbauelemente bei Teraflop-Taktraten relevant sind. Insbesondere bieten sie einen ersten Einblick in ein neuartiges Regime des Hochfeld-Ladungstransports auf Zeitskalen eines einzelnen Lichtzyklus.
Implikationen der Photonik – Phasenverriegelte hohe Harmonische
Aus photonischer Sicht ist die Art der vom GaSe emittierten Strahlung gleichermaßen interessant und möglicherweise von weitreichender Bedeutung und Nützlichkeit. Erstens deckt diese Strahlung ein unglaublich breites Spektrum an Harmonischen und damit Frequenzen ab. Dies reicht von einer Grundfrequenz bei <0,1 THz über das Sichtbare bis zur 22. Harmonischen bei 675 THz, bevor die Signalstärke auf natürliche Weise abklingt und auch den Wellenlängenbereich der Fotodetektoren überschreitet.
Zwei Aspekte dieses Frequenzkamms machen ihn zu einem nützlichen und einzigartigen Werkzeug für die Durchführung anderer Wissenschaften auf der Femtosekunden-Zeitskala. Erstens handelt es sich um eine extrem lange Oberwellenleiter, und zweitens sind alle Oberwellen kohärent und genau phasenstarr, obwohl sie einen so großen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken. Hubers Gruppe bestätigte diese CEP-Stabilität, indem sie einen standardmäßigen f-2f-Interferometrievergleich durchführte, indem sie beispielsweise die 6. Harmonische verdoppelte und die Interferenz zwischen dieser und der 12. Harmonischen erkannte. Dies ergab eine CEP-Stabilität im Mikroradian-Bereich über ein komplettes zehnminütiges Messintervall.
Zusammenfassung
Um die Entwicklung integrierter Halbleiterschaltkreise mit immer höherer Dichte und schnellerer Geschwindigkeit zu unterstützen, müssen neue Grenzen in der Halbleiterphysik erkundet werden. Energetische und stabile Femtosekunden-Laserverstärker bieten einzigartige Werkzeuge zur Untersuchung der Hochfeld- und Hochgeschwindigkeits-Festkörperphysik, indem sie hochgradig nichtlineare Prozesse wie die harmonische Erzeugung im THz-Bereich pumpen. Neben der Aufdeckung neuer Informationen über kohärente elektronische Effekte unter diesen Bedingungen ist ein wichtiger Nebeneffekt die Erzeugung einer ausgedehnten Leiter phasenstabilisierter Oberwellen von Femtosekunden Dauer über den gesamten THz- bis zum sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Diese Leiter wiederum wird sich wahrscheinlich als nützliches Werkzeug für hochmoderne photonische Experimente erweisen.