Die Übertragung dieses Effekts auf die ultrakurzen Längen- und Zeitskalen der Quantenwelt ermöglicht die Erzeugung intensiver Terahertz (THz)-Impulse in asymmetrischen Halbleiter-Quantenstrukturen. Die Impulse besitzen eine Dauer von ca. 1 ps mit einer einzigen Schwingung des elektrischen Feldes. Ihre zeitliche Form kann über den nichtlinearen Erzeugungsmechanismus maßgeschneidert werden.
THz-Wellen sind ein wichtiges analytisches Werkzeug in Forschung und Technologie, ihre Anwendungen reichen von der Material- und Gewebecharakterisierung bis zur Sicherheitskontrolle am Flughafen. Ultrakurze THz-Impulse von wenigen Pikosekunden Dauer werden mit hohen Amplituden des elektrischen Feldes in der zeitaufgelösten Spektroskopie kondensierter Materie eingesetzt. Darüber hinaus spielen sie eine Schlüsselrolle in Telekommunikationssystemen für extrem hohe Datenübertragungsraten. Die Ausnutzung des Potenzials von THz-Methoden und -Technologien erfordert die Entwicklung effizienter und kompakter THz-Quellen.
Wissenschaftler des Max-Born-Instituts und des Paul-Drude-Instituts in Berlin haben jetzt ein neues Konzept zur Erzeugung ultrakurzer THz-Wellenzüge demonstriert, das auf der optischen Steuerung von Elektronenbewegungen in einem hochkompakten Quantenbauelement beruht [Optica 8, 1638 (2021)]. Ein optischer Anregungsimpuls im mittleren Infrarot erzeugt einen zeitabhängigen elektrischen Strom in einer Halbleiter-Nanostruktur, die 20 asymmetrische Quantentröge enthält. Dieser Strom emittiert THz-Impulse, die aus einer einzelnen Lichtschwingung bestehen und eine Maximalamplitude des elektrischen Feldes von einigen Kilovolt/cm aufweisen. Die zeitliche Struktur der Impulse kann über die Anregungsbedingungen des Quantenbauelements maßgeschneidert werden.
Der grundlegende Mechanismus der THz-Erzeugung ist in Abbildung 1 dargestellt. Elektronen sind in einem quasi-zweidimensionalen Quantentrog eingeschlossen, der entlang der Stapelachse der AlxGa1-xAs-Halbleiterschichten (c-Achse) asymmetrisch ist. Auf Grund der geringen Breite des Quantentrogs entstehen die Quantenzustände 1 und 2 der Elektronen, die jeweils der Minimalenergie von Elektronen in den entsprechenden sog. Subbändern entsprechen. Die asymmetrische Form des Potenzials entlang der c-Achse führt zu räumlich gegeneinander verschobenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Elektronen in den beiden Subbändern. Eine Anregung von Elektronen aus Subband 1 in Subband 2 mittels eines ultrakurzen Lichtimpulses im mittleren Infrarot verschiebt den Schwerpunkt der gesamten Dichteverteilung der Elektronen um einige Nanometer, was einem zeitabhängigen elektrischen Strom entspricht. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik emittiert dieser sog. Verschiebestrom ein elektrisches Feld. Bei Verwendung eines Femtosekunden-Impulses zur Anregung liegt die Frequenz des emittierten Feldes im THz-Bereich.
Abbildung 2 zeigt den Zeitverlauf des emittierten THz-Feldes für verschiedene Anregungsstärken im mittleren Infrarot. Alle THz-Impulse bestehen aus einem einzigen Oszillationszyklus. Der genaue zeitliche Verlauf ändert sich jedoch mit der Anregungsstärke auf Grund des nichtlinearen Charakters des Erzeugungsprozesses. Dieses Verhalten kann ausgenutzt werden, um die THz-Wellenzüge in einem breiten Parameterbereich maßzuschneidern. Die Gesamteffizienz der THz-Erzeugung liegt im Bereich einiger Prozent des Anregungsfeldes, wodurch diese Methode besonders interessant wird für die effiziente Erzeugung variabler THz-Impulse in hochkompakten optoelektronischen Lichtquellen, die etwa bei Repetitionsraten im Gigahertzbereich arbeiten.
