Fig.1 :(a) Cella unitaria dell'arseniuro di gallio a semiconduttore (GaAs). I legami chimici (blu) collegano ogni atomo di Ga a quattro atomi di As vicini e viceversa. Densità elettronica di valenza nel piano grigio di (a) nello stato fondamentale (b) (gli elettroni sono nella banda di valenza) e nello stato eccitato (c) (gli elettroni sono nella banda di conduzione). A parte gli elettroni di valenza mostrati, ci sono elettroni strettamente legati vicino ai nuclei. Credito:Max Born Institute
L'assorbimento della luce nei cristalli semiconduttori senza inversione di simmetria può generare correnti elettriche. I ricercatori del Max Born Institute hanno ora generato correnti dirette a frequenze terahertz (THz), molto più alte delle frequenze di clock dell'elettronica attuale. Mostrano che il trasferimento di carica elettronica tra atomi vicini nel reticolo cristallino rappresenta il meccanismo sottostante.
Le celle solari convertono l'energia della luce in una corrente elettrica continua (DC) che viene immessa in una rete di alimentazione elettrica. I passaggi chiave sono la separazione delle cariche dopo l'assorbimento della luce e il loro trasporto ai contatti del dispositivo. Le correnti elettriche sono trasportate da portatori di carica negativi (elettroni) e positivi (fori) che effettuano i cosiddetti moti intrabanda in varie bande elettroniche del semiconduttore. Da un punto di vista fisico, le seguenti domande sono essenziali:qual è l'unità più piccola in un cristallo che può fornire una corrente continua fotoindotta (DC)? Fino a quale frequenza massima si possono generare tali correnti? Quali meccanismi su scala atomica sono responsabili di tale trasporto di carica?
La più piccola unità di un cristallo è la cosiddetta cella unitaria, una disposizione ben definita di atomi determinata da legami chimici. La cella unitaria del prototipo semiconduttore GaAs è mostrata in Figura 1a e rappresenta una disposizione di atomi di Ga e As senza centro di inversione. Nello stato fondamentale del cristallo rappresentato dalla banda di valenza elettronica, gli elettroni di valenza sono concentrati sui legami tra gli atomi di Ga e As (Figura 1b). Dopo l'assorbimento della luce visibile o del vicino infrarosso, un elettrone viene promosso dalla banda di valenza alla banda immediatamente superiore, la banda di conduzione. Nel nuovo stato, la carica dell'elettrone viene spostata verso gli atomi di Ga (Figura 1b). Questo trasferimento di carica corrisponde a una corrente elettrica locale, l'interbanda o la corrente di spostamento, che è fondamentalmente diverso dai moti degli elettroni nelle correnti intrabanda. Fino a poco tempo fa, c'è stato un controverso dibattito tra i teorici se le correnti fotoindotte sperimentalmente osservate siano dovute a movimenti intrabanda o interbanda.
Fig. 2:Il concetto sperimentale è mostrato in alto. Un breve impulso nella gamma spettrale del vicino infrarosso o visibile viene inviato su un sottile strato di GaAs. Il campo elettrico della radiazione THz emessa viene misurato in funzione del tempo (1 ps =10-12 s). Di seguito è mostrato un esempio di tale forma d'onda THz. Contiene oscillazioni con un periodo di 0,08 ps corrispondente ad una frequenza di 12000 GHz=12 THz. Credito:Max Born Institute
Ricercatori del Max Born Institute di Berlino, Germania, hanno studiato per la prima volta le correnti di spostamento indotte otticamente nel semiconduttore arseniuro di gallio (GaAs) su scale temporali ultraveloci fino a 50 femtosecondi (1 fs =10 -15 secondi). Riportano i loro risultati nell'attuale numero della rivista Lettere di revisione fisica 121, 266602 (2018). Usando l'ultracorto, intensi impulsi luminosi dal vicino infrarosso (λ =900 nm) al visibile (λ =650 nm, colore arancione), hanno generato correnti di spostamento in GaAs che oscillano e, così, emettono radiazioni terahertz con una larghezza di banda fino a 20 THz (Figura 2). Le proprietà di queste correnti e dei movimenti degli elettroni sottostanti si riflettono completamente nelle onde THz emesse che vengono rilevate in ampiezza e fase. La radiazione THz mostra che i lampi di corrente ultracorta di luce rettificata contengono frequenze che sono 5000 volte superiori alla frequenza di clock più alta della moderna tecnologia informatica.
Le proprietà delle correnti di spostamento osservate escludono definitivamente un movimento intrabanda di elettroni o lacune. In contrasto, i calcoli del modello basati sul trasferimento interbanda di elettroni in una struttura a banda pseudo-potenziale riproducono i risultati sperimentali e mostrano che un trasferimento nello spazio reale di elettroni sulla distanza dell'ordine di una lunghezza di legame rappresenta il meccanismo chiave. Questo processo è operativo all'interno di ciascuna cella unitaria del cristallo, cioè., su una scala di lunghezza sub-nanometrica, e provoca la rettifica del campo ottico. L'effetto può essere sfruttato a frequenze anche più alte, offrendo nuove interessanti applicazioni nell'elettronica ad alta frequenza.
