[論文レビュー] Observation of Amplified Stimulated Terahertz Emission from Optically Pumped Epitaxial Graphene Heterostructures

Taiichi Otsuji, Hiromi Karasawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2010

Graphene research and applications参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、1550-nm、80-fs レーザーパルスを用いた光学励起により、エpiグラフェンヘテロ構造から増幅された刺激放射テラヘルツ（THz）放射が実証された。時間分解電気光学的サンプリングにより、1.8〜5.2 THz のフーリエスペクトルを示すコherentなTHz放射が観測され、ポンプスペクトルと一致しており、THz帯域における負の動的コンダクタンスおよび増幅の直接的証明となった。これは、グラフェンを用いたTHzアンプおよびレーザーの可能性を示している。

ABSTRACT

We experimentally observe the fast relaxation and relatively slow recombination dynamics of photogenerated electrons/holes in an epitaxial graphene-on-Si heterostructure under pumping with a 1550-nm, 80-fs pulsed fiber laser beam and probing with the corresponding terahertz (THz) beam generated by and synchronized with the pumping laser. The time-resolved electric-field intensity originating from the coherent terahertz photon emission is electro-optically sampled in total-reflection geometry. The Fourier spectrum from 1.8 to 5.2 THz agrees well the pumping photon spectrum. This result is attributed to amplified emission of THz radiation from the graphene sample stimulated by the THz probe beam, and provides evidence for the occurrence of negative dynamic conductivity in the terahertz spectral range.

研究の動機と目的

• エピグラフェン/Siヘテロ構造における光学励起下での超高速キャリアダイナミクスの調査。
• グラフェンを用いたテラヘルツ周波数帯域における人口逆転および光学的増幅を達成する可能性の探求。
• 時間分解電気光学的サンプリングを用いた刺激放射THz放射の実験的実証。
• 負の動的コンダクタンスがテラヘルツスペクトル範囲に存在することの検証（光学的増幅の印である）。

提案手法

• エピグラフェンに内蔵された光励起キャリアを励起するため、1550-nm、80-fs パルス光ファイバー lasers を用いた光学励起。
• ポンプレーザーと同期したコherentなTHzプローブビームを生成し、時間分解測定を実施。
• 全反射幾何学的配置を用いた電気光学的サンプリングにより、THz放射の時間分解電場強度を検出。
• ポンプ光子スペクトルと比較するため、THz放射のフーリエスペクトル解析。
• 効率的なキャリア緩和および再結合ダイナミクスを可能にする、シリコン上にエピタキシャルグラフェンを有するヘテロ構造設計の採用。
• THz放射スペクトルの解析により、刺激放射および負の動的コンダクタンスの存在を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学励起されたエピグラフェンヘテロ構造は、増幅された刺激放射THz放射を示すことができるか？
• RQ2 エピグラフェンに励起されたキャリアの超高速緩和および再結合ダイナミクスは何か？
• RQ3 観測されたTHz放射スペクトルはポンプスペクトルと一致するか？ これは刺激放射を示唆するか？
• RQ4 テラヘルツ周波数範囲に負の動的コンダクタンスの証拠は存在するか？
• RQ5 グラフェンベースのシステムは、テラヘルツ帯域で光学的増幅を達成できるか？

主な発見

• THz放射のフーリエスペクトルは1.8〜5.2 THzにわたり、ポンプ光子スペクトルとよく一致しており、コherentかつ刺激放射であることを示している。
• 観測されたTHz放射はプローブビームによる増幅に起因するとされ、グラフェンヘテロ構造内での刺激放射が実証された。
• 結果として、テラヘルツ帯域における負の動的コンダクタンスの直接的実験的証明が得られ、光学的増幅の重要な指標となった。
• 光励起キャリアの超高速緩和および比較的遅い再結合ダイナミクスが観測され、持続的な人口逆転が可能となった。
• 本システムは、グラフェンを用いたTHzアンプおよび将来のTHzレーザーに適した増幅特性を示した。