[논문 리뷰] Room temperature broadband coherent terahertz emission induced by dynamical photon drag in graphene

Jean Maysonnave, Simon Huppert외 10명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2014. 05. 25.

Terahertz technology and applications참고 문헌 26인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 펌프 레이저를 이용한 펌프-스위치 방식의 초단백성 광학 흥 excitatation을 통해 에피택시얼 그래핀에서 실온에서 광역대, 비균형, 간섭형 테라헤르츠(THz) 방출을 구현함을 보여준다. 기울기 있는 입사 광자로부터 전자로의 동적 포톤 드래그 효과를 통해 운동량을 전달함으로써, 0.1–4 THz 범위의 간섭형 THz 방출이 발생하며, 이는 제2근접 이웃 전자 터널링과 비대칭 전자-정공 동역학에 기인하여 최대 60 THz까지의 방출이 가능하게 하여, 냉각 장치가 필요 없는 초광역대 THz 소스의 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제2차 비선형성의 중심대칭 제한을 우회하는 그래핀 내 비선형 빛-물질 상호작용을 탐색한다.
• 그래핀의 높은 전자 이동도와 고유한 밴드 구조를 활용하여 실온에서 효율적이고 광역대, 간섭형 테라헤르츠 방출을 위한 메커니즘을 개발한다.
• 포톤 운동량 전달을 통한 간섭형 THz 방출을 가능하게 하는 전자 동역학과 격자 결합의 역할을 조사한다.
• 2차원 물질에서의 THz 생성을 위한 제3차 비선형 과정의 대안으로서의 타당성을 입증한다.

제안 방법

• 기울은 각도로 초단백성 광 펄스를 에피택시얼 그래핀에 조사하여 광자에서 전자로의 운동량 전달을 유도한다.
• 동적 포톤 드래그 효과는 포톤 운동량의 전달로 인해 발생하는 일시적 전류를 생성함으로써 간섭형 THz 방출을 이끈다.
• 이론적 모델링은 관측된 광역대 방출을 설명하기 위해 제2근접 이웃 전자 터널링 적분과 구별되는 전자-정공 동역학을 포함한다.
• 시간 해상도가 높은 THz 방출 스펙트로스코피를 사용하여 방출된 복사의 스펙트럼적 및 시간적 특성을 측정한다.
• 시스템은 실온에서 작동하여 냉각 장치가 필요 없음을 확인한다.
• 분석은 기울은 입사에 의한 비대칭성과 디르악 콘 밴드 구조 내 전자 동역학 간의 상호작용에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 제2차 비선형성의 상쇄 현상 문제를 우회하는 메커니즘을 통해 그래핀에서 간섭형 광역대 테라헤르츠 방출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제2근접 이웃 전자 터널링과 비대칭 전자-정공 동역학은 테라헤르츠 방출의 효율성과 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초단백성 흥 excitatation 조건 하에서 그래핀에서 동적 포톤 드래그 효과가 다른 비선형 과정보다 지배적인가?
• RQ4 에피택시얼 그래핀에서 포톤 운동량 전달을 통해 생성된 테라헤르츠 복사의 스펙트럼 범위와 간섭성은 무엇인가?
• RQ5 이 메커니즘은 4 THz를 초월한 방출을 지원할 수 있으며, 그 상한 주파수의 물리적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 실온에서 초단백성 광 펄스 조사 조건 하에서 에피택시얼 그래핀에서 실험적으로 0.1–4 THz의 광역대 간섭형 테라헤르츠 방출이 관측되었다.
• 방출 메커니즘은 기울은 입사 광자로부터의 운동량 전달에 의해 유도되는 동적 포톤 드래그 효과에 기인한다.
• 제2근접 이웃 전자 터널링 적분이 관측된 방출 스펙트럼과 효율성을 설명하는 데 필수적임이 입증되었다.
• 구별되는 전자-정공 동역학은 방출된 THz 복사의 시간적 및 스펙트럼적 특성에 중대한 영향을 미친다.
• 이론적 분석에 따르면, 방출은 최대 60 THz까지 연장될 수 있으며, 이는 초광역대 THz 소스를 위한 잠재적 길을 제시한다.
• 결과적으로, 냉각 장치나 복잡한 헤테로구조가 필요 없이도 그래핀에서 간섭형 THz 방출을 실현할 수 있음을 입증하였다.