[論文レビュー] Room temperature broadband coherent terahertz emission induced by dynamical photon drag in graphene

Jean Maysonnave, Simon Huppert+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|May 25, 2014

Terahertz technology and applications参考文献 26被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒レーザー励起によって誘発される動的フォトンドラッグ効果により、エpiタキシャルグラフェンで室温、広帯域、コherentなテラヘルツ（THz）放射を実証した。斜めに入射する光子から電子への運動量の転送を活用することで、0.1–4 THzにわたるコherentなTHz放射が生成され、次近接原子間遷移と非対称な電子・正孔ダイナミクスの寄与により、最大60 THzまで発光可能となり、冷却を要しない超広帯域THz光源の実現に向けた道筋を示している。

ABSTRACT

Nonlinear couplings between photons and electrons in new materials give rise to a wealth of interesting nonlinear phenomena. This includes frequency mixing, optical rectification or nonlinear current generation, which are of particular interest for generating radiation in spectral regions that are difficult to access, such as the terahertz gap. Owing to its specific linear dispersion and high electron mobility at room temperature, graphene is particularly attractive for realizing strong nonlinear effects. However, since graphene is a centrosymmetric material, second-order nonlinearities a priori cancel, which imposes to rely on less attractive third-order nonlinearities. It was nevertheless recently demonstrated that dc-second-order nonlinear currents as well as ultrafast ac-currents can be generated in graphene under optical excitation. The asymmetry is introduced by the excitation at oblique incidence, resulting in the transfer of photon momentum to the electron system, known as the photon drag effect. Here, we show broadband coherent terahertz emission, ranging from about 0.1-4 THz, in epitaxial graphene under femtosecond optical excitation, induced by a dynamical photon drag current. We demonstrate that, in contrast to most optical processes in graphene, the next-nearest-neighbor couplings as well as the distinct electron-hole dynamics are of paramount importance in this effect. Our results indicate that dynamical photon drag effect can provide emission up to 60 THz opening new routes for the generation of ultra-broadband terahertz pulses at room temperature.

研究の動機と目的

• 二次非線形性の中心対称性制限を回避するグラフェンにおける非線形光物質相互作用の解明。
• グラフェンの高電子移動度と特異なバンド構造を活用し、室温で効率的かつ広帯域でコherentなTHz放射を実現するメカニズムの開発。
• フォトン運動量の転送によって誘発されるコherentなTHz放射を可能にする電子ダイナミクスと格子結合の役割の解明。
• 2次元材料におけるTHz生成のための第三位相非線形プロセスの代替手段としての有効性の実証。

提案手法

• フェムト秒レーザー光パルスを斜めに入射させ、光子から電子への運動量転送を誘発する。
• 動的フォトンドラッグ効果により、光子運動量の転送に伴い一時的な電流が生成され、これに起因してコherentなTHz放射が発生する。
• 理論的モデルには、次近接遷移積分と明確に異なる電子・正孔ダイナミクスを組み込み、観測された広帯域放射を説明する。
• 時間分解THz放射スペクトロスコピーを用いて、放射のスペクトル的および時間的特性を測定する。
• システムは室温で動作させ、冷却装置を必要としない。
• 解析は、斜め入射による反転対称性の破れとディラック・コーンバンド構造内での電子ダイナミクスの相乗効果に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心対称性の制限によりキャンセルされる二次非線形性を回避するメカニズムを用いて、室温下でグラフェンで広帯域コherentなTHz放射を実現できるか？
• RQ2 次近接電子遷移と非対称な電子・正孔ダイナミクスは、THz放射の効率および帯域にどのように寄与するか？
• RQ3 フェムト秒励起下におけるグラフェン内での動的フォトンドラッグ効果が、他の非線形プロセスをどれほど上回るか？
• RQ4 エピタキシャルグラフェンにおけるフォトン運動量転送によって生成されるTHz放射のスペクトル的範囲とコherencyはどの程度か？
• RQ5 このメカニズムは4 THzを超える発光を可能とするか？ その上限周波数の物理的限界は何か？

主な発見

• フェムト秒レーザー励起下、室温でエピタキシャルグラフェンにおいて0.1–4 THzにわたる広帯域コherentなTHz放射が実験的に観測された。
• 放射メカニズムは、斜めに入射する光子からの運動量転送によって駆動される一時的電流を生じる動的フォトンドラッグ効果に起因するとされる。
• 次近接電子遷移積分が、観測された放射スペクトルおよび効率を説明するために不可欠であることが示された。
• 明確に異なる電子・正孔ダイナミクスは、発生するTHz放射の時間的およびスペクトル的特性に顕著な影響を及ぼす。
• 理論的解析により、放射は最大60 THzまで拡張可能であると示され、超広帯域THz光源への可能性を示唆している。
• 本研究は、冷却を要せず複雑なヘテロ構造を必要としない状態で、グラフェンでコherentなTHz放射を実現可能であることを示した。