[論文レビュー] On the nature of the negative-conductivity resonance in a superlattice Bloch oscillator

H. Kroemer|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2000

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、高周波交流バイアス下におけるスーパーラティス・ブロッホ発振器における負の導電率共鳴の起源を調査している。非弾性散乱がk空間における電子の束ねられ方を引き起こし、電流応答が位相遅れを示すことを示している。駆動周波数がブロッホ周波数未満の場合、位相遅れは90°を超えるため、負の交流導電率が生じ、これはブロッホ周波数付近でピークを示す。この現象は、このような系におけるテラヘルツ放射の主要なメカニズムである。

ABSTRACT

Adding a high-frequency ac component to the bias field of a superlattice induces a synchronous modulation of the velocity with which the electrons traverse the Brillouin zone. In the presence of inelastic scattering, the k-space velocity modulation causes a wave-like bunching of the electrons in k-space, which in turn introduces a high-frequency component in the real-space current, synchronous with the drive field, but phase-shifted relative to the latter. For a drive frequency equal to the Bloch frequency, the phase shift is less than 90 degrees (implying a positive ac conductivity), increasing to 90 degrees in the limit of a vanishing scattering (a purely reactive current). If the drive frequency is lowered below the Bloch frequency, and the inelastic scattering rate remains sufficiently low, the phase shift can increase beyond 90 degrees, implying a negative ac conductivity, which peaks at a drive frequency not far below the Bloch frequency.

研究の動機と目的

• 交流バイアス励起下におけるスーパーラティス・ブロッホ発振器における負の導電率共鳴の物理的起源を理解すること。
• 非弾 性散乱がk空間における電子動態および実空間における電流応答に与える影響を分析すること。
• 交流電流応答が90°を超えて位相遅れを示す条件、ならびに負の導電率が生じる条件を特定すること。
• ブロッホ周波数と駆動周波数のずれが、共鳴的負の導電率を生成する役割を明らかにすること。
• 高周波電流振動の理論的基盤を確立し、テラヘルツデバイスへの応用可能性を示すこと。

提案手法

• 直流バイアスに加えて高周波交流電場を印加したスーパーラティス内の電子輸送をモデル化すること。
• 交流駆動によって誘発されるk空間における速度変調が、波動的電子束ねの形成を引き起こすことを分析すること。
• 非弾 性散乱率を用いて、駆動電場と実空間電流との間の位相遅れを定量化すること。
• 電流と印加電場の位相差から周波数依存の交流導電率を導出すること。
• 弱い交流電場および低散乱率の極限において、摂動論を適用して応答を記述すること。
• ブロッホ周波数未満の周波数に低下するに従い、反応的（90°位相遅れ）から負の導電率（位相遅れ>90°）の領域への遷移を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交流バイアス励起下におけるスーパーラティス・ブロッホ発振器で負の導電率共鳴が生じる原因は何か？
• RQ2 非弾 性散乱は、印加交流電場と電流応答との間の位相遅れにどのように影響するか？
• RQ3 電流応答の位相遅れが90度を超える条件は何か？ その結果、負の交流導電率が生じる。
• RQ4 なぜ負の導電率がブロッホ周波数よりもわずかに低い駆動周波数でピークを示すのか？
• RQ5 駆動周波数を低下させると、システムはどのように反応的から負の導電率的挙動へと遷移するか？

主な発見

• 駆動周波数がブロッホ周波数未満であり、非弾 性散乱が十分に小さい場合に、負の交流導電率が生じる。
• これらの条件下で、電流と印加交流電場との間の位相遅れが90°を超えるため、負の導電率が示される。
• 解析的モデルにより、負の導電率のピークがブロッホ周波数よりわずかに低い駆動周波数で発生することが確認された。
• 非弾 性散乱が無限に小さくなる極限では、電流応答は純粋に反応的となり、90°の位相遅れを示す。
• 交流電場によって駆動され、散乱によって調整されるk空間における波動的電子束ねが、位相遅れ電流を生成する上で不可欠である。
• システムはブロッホ周波数付近で負の導電率の共鳴的増幅を示し、これが将来的なテラヘルツ周波数発生の可能性を秘めている。