[論文レビュー] Quasiclassical theory of non-adiabatic tunneling in nanocontacts induced by phase-controlled ultrashort light pulses

Sangwon Kim, Tobias Schmude+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 85被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、フェーズ制御された数フェムト秒パルスで駆動される金属ナノ接触のナノギャップを通過する非断熱的電子トンネルを記述する時間依存準古典理論を開発する。時間変化するポテンシャルにおける複素古典的軌道を解くことで、トンネル確率の解析的表現を導出し、パルスのキャリアエンVELOP PHASE (CEP) が電荷移動の方向を制御することを示している。電場強度と接触間隔に応じて、明確に分離されたトンネル領域が特定された。主な貢献は、調整された光パルスを用いたナノスケールデバイスにおける超高速でコherentな電子輸送を予測可能なフレームワークを提供することにある。

ABSTRACT

We theoretically investigate tunneling through free-space or dielectric nanogaps between metallic nanocontacts driven by ultrashort ultrabroadband light pulses. For this purpose we develop a time-dependent quasiclassical theory being especially suitable to describe the tunneling process in the non-adiabatic regime, when this process can be significantly influenced by the photon absorption as the electron moves in the classically forbidden region. Firstly, the case of driving by an ideal half-cycle pulse is studied. For different distances between the contacts, we analyze the main solutions having the form of a quasiclassical wave packet of the tunneling electron and an evanescent wave of the electron density. For each of these solutions the resulting tunneling probability is determined with the exponential accuracy inherent to the method. We identify a crossover between two tunneling regimes corresponding to both solutions in dependence on the field strength and intercontact distance that can be observed in the corresponding behaviour of the tunneling probability. Secondly, considering realistic temporal profiles of few-femtosecond pulses, we demonstrate that the preferred direction of the electron transport through the nanogap can be controlled by changing the carrier-envelope phase of the pulse, in agreement with recent experimental findings and numerical simulations. We find analytical expressions for the tunneling probability, determining the resulting charge transfer in dependence on the pulse parameters. Further, we determine temporal shifts of the outgoing electron trajectories with respect to the peaks of the laser field in dependence on the pulse phase and illustrate when the non-adiabatical character of the tunneling process is particularly important.

研究の動機と目的

• 超短パルスによって誘起される時間変化するポテンシャルにおける非断熱トンネルを記述する準古典的フレームワークの構築。
• 電場強度と接触間隔に応じて、波パッケージまたは減衰波解に支配される異なるトンネル領域を特定すること。
• 特にキャリアエンVELOP PHASE (CEP) を含むパルスパラメータに依存するトンネル確率の解析的表現を確立すること。
• 最近の実験と整合するように、CEP制御によるナノ接触内での電子輸送の方向性を説明および予測すること。

提案手法

• 時間変化するポテンシャルにおける複素古典的軌道を用いた時間依存準古典的アプローチを定式化する。
• 複素作用を用いたWentzel-Kramers-Brillouin (WKB) 近似を適用し、指数的精度でトンネル確率を計算する。
• 主な2つの解を特定：準古典的波パッケージと、減衰する電子密度波であり、それぞれ異なるトンネル領域に対応する。
• 双曲正弦・正弦関数を含む超越方程式を用いて、最適な複素軌道を解く。
• 強場近似 (SFA) と複素時間平面における経路積分形式を用いてトンネル振幅を導出する。
• 理想の半サイクルパルスと現実的な数サイクルパルスの両方を分析し、位相依存輸送特性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数フェムト秒パルスのキャリアエンVELOP PHASE (CEP) は、金属ナノ接触内の電子トンネルの方向性をどのように制御するか？
• RQ2 非断熱トンネルにおいて2つの明確に分離されたトンネル領域は何か？それらは電場強度と接触間隔にどのように依存するか？
• RQ3 トンネル確率は、振幅やCEPなどのパルスパラメータの関数として、どのように解析的に表現できるか？
• RQ4 複素古典的軌道は、時間変化する場において電子ダイナミクスを記述する上で果たす役割は何か？
• RQ5 電子軌道の時間的遅れ（レーザー場のピークからのずれ）は、パルス位相および系のパラメータにどのように依存するか？

主な発見

• 理想の半サイクルパルスの場合、2つのトンネル領域が出現する：一つは準古典的波パッケージに支配され、もう一つは減衰する電子密度波に支配される。両者の間には、電場強度とギャップ距離によって制御されるクロスオーバーが存在する。
• トンネル確率は、次元なしの電場振幅と接触間隔に依存する複素作用法を用いて指数的精度で解析的に表現される。
• 現実的な数サイクルパルスにおいて、ナノギャップを通過するネット電荷移動の方向は、キャリアエンVELOP PHASE (CEP) によって制御され、理論は最近の実験観察と一致する。
• 理論は、電子のアンダーバリア通過時間がレーザー周期とほぼ等しいときに非断熱効果が最大になると予測しており、これにより電子軌道の位相依存的時間的遅れが生じる。
• 接触間隔が大きい場合、2つの解の分岐は一つの支配的経路に合体するが、臨界距離 zc に近づくと分岐点が出現し、複素軌道構造におけるトポロジカルな変化を示す。
• 弱場極限における明白なパラドックス（例えば、場がゼロに近づく極限でも有限のトンネル確率が得られる）を、複素軌道形式によって一貫性を保ちながら解消する。