Nichtlineare Dynamik der Energiezustände von Dotieratomen in Halbleitern unter dem Einfluss starker THz-Pulse

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411486076

Dotieratome, die als flache Störstellen in Halbleiter-Bauelementen bei Raumtemperatur die freien Ladungsträger bereitstellen, verhalten sich bei tiefen Temperaturen ähnlich wie Wasserstoffatome, die Energiezustände sind jedoch stark von der Festkörpermatrix mitbestimmt. Die Bindungsenergie der Ladungsträger ist drastisch verringert, so dass die Frequenzskala von Übergängen zwischen Eigenzuständen vom Ultravioletten (bei Wasserstoffatomen) in den Terahertz-(THz-)Frequenzbereich verschoben ist. Die Ausdehnung der Orbitale beträgt mehrere Nanometer – ein Vielfaches der Gitterperiode. Ionisierung wird bereits mit elektrischen Feldern von kV/cm erreicht. Die Wechselwirkung mit dem Wirtsgitter führt aber auch hinsichtlich der Ladungs- und Spindichten zu spezifischen Abweichungen vom Wasserstoffmodell. Bei der Relaxation von Anregungen und der Dekohärenz ist der Einfluss der Wirtsphononen von Bedeutung. Solche "Quasiatome" sind nicht nur für die Quanteninformationsverarbeitung von großem, aktuellem Interesse, sie bieten auch eine neuartige Plattform für das Studium starker Licht-Materie-Wechselwirkung. Deren Studium ist der Gegenstand des hier vorgelegten Projektes. Wir verwenden intensive THz-Pulse, um die nichtlineare Antwort von nicht-ionisierten Donatoren und Akzeptoren in den Halbleitern Si, Ge und GaAs zu untersuchen. Zwei Phänomene stehen im Vordergrund: (i) Der dynamische Starkeffekt (Autler-Townes-Effekt) in Verbindung mit Quanteninterferenzen der atomaren Zustände, und (ii) die Erzeugung höherer Harmonischer (HHG) infolge von Tunnelionisation und nachfolgender Beschleunigung der Ladungsträger im THz-Feld.Die Untersuchungen werden komplementär mit langen (schmalbandigen) und sehr kurzen (breitbandigen) THz-Pulsen durchgeführt, ersteres erfolgt an Freien Elektronenlasern, letzteres in unserem Labor. Messungen mit schmalbandigen THz-Pulsen erlauben die Anregung spezifischer Energiezustände und die theoretische Beschreibung des atomaren Systems im Floquet-Bild ("Field-Dressed-States"-Bild), während die breitbandige Anregung mit THz-Pulsen nur einer Schwingungsperiode es ermöglicht, die ultraschnelle Evolution der Ladungsdichte und Kohärenz im Zeitbereich zu messen. Für letzteres wird auch die Methode des Vierwellenmischens, die erst seit kurzer Zeit Eingang in das Repertoire der THz-Anrege-Abtast-Verfahren gefunden hat, eingesetzt werden. Mit Kurzpulsen werden wir des weiteren Propagationseffekte an verschieden dicken Proben studieren und Methoden der kohärenten Kontrolle der Quantenzustände mittels Pulsformungsverfahren einsetzen.Die HHG, die wir bei den "Quasiatomen" beobachten, hat wie bei freien Atomen ihren Ursprung in der Ionisation der Atome gefolgt von der nachfolgenden Beschleunigung der Ladungsträger und deren Rekollisionen mit den Ionen. Diese Prozesse erfolgen jedoch im Energieband des Wirtshalbleiters. Unsere Experimente schlagen hier eine Brücke zu jüngst publizierten HHG-Studien an Halbleitern mit Anregung im Infraroten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen