[论文解读] Terahertz-Radiation-Induced Exciton Shelving and Intra-Excitonic Scattering

William Rice, S. Zybell+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2012

Terahertz technology and applications被引用 1

一句话总结

本研究证明，太赫兹脉冲可诱导高质量半导体量子阱中的$1s$-至-$2p$激子跃迁，导致$1s$激子发射的瞬态猝灭。尽管$1s$-至-$2s$跃迁为电偶极禁戒，但由于库仑散射介导的$2p$与$2s$态混合，观察到$2s$发射的显著增强，从而通过多体效应实现有效的太赫兹诱导$1s$-$2s$跃迁。

ABSTRACT

We use terahertz pulses to induce resonant transitions between the eigenstates of optically generated exciton populations in a high-quality semiconductor quantum-well sample. Monitoring the excitonic photoluminescence, we observe transient quenching of the $1s$ exciton emission, which we attribute to the terahertz-induced $1s$-to-$2p$ excitation. Simultaneously, a pronounced enhancement of the $2s$-exciton emission is observed, despite the $1s$-to-$2s$ transition being dipole forbidden. A microscopic many-body theory explains the experimental observations as a Coulomb-scattering mixing of the 2$s$ and 2$p$ states, yielding an effective terahertz transition between the 1$s$ and 2$s$ populations.

研究动机与目标

• 研究高强度半导体量子阱体系中太赫兹诱导的激子态间共振跃迁。
• 解释尽管$1s$-至-$2s$跃迁为电偶极禁戒，$2s$激子发射却出人意料增强的原因。
• 理解多体库仑相互作用在实现原本禁戒的激子态间跃迁中的作用。
• 建立一个微观多体理论，以解释观测到的激子光致发光中瞬态猝灭与增强现象。

提出的方法

• 应用超短太赫兹脉冲，共振激发光学生成的激子态中$1s$至$2p$的跃迁。
• 通过时间分辨监测激子光致发光，检测$1s$与$2s$发射强度的瞬态变化。
• 采用微观多体理论模拟$2s$与$2p$激子态之间的库仑散射。
• 理论上推导通过中间$2p$态实现的$1s$与$2s$态之间的有效太赫兹跃迁矩阵元。
• 分析激子多体效应在介导原本电偶极禁戒跃迁中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹辐射如何影响半导体量子阱中$1s$与$2s$激子的光致发光？
• RQ2 为何$1s$-至-$2s$跃迁为电偶极禁戒，但$2s$激子发射仍被增强？
• RQ3 在太赫兹激发下，实现有效$1s$-$2s$跃迁的微观机制是什么？
• RQ4 多体库仑相互作用如何介导$2s$与$2p$激子态之间的跃迁？

主要发现

• 太赫兹脉冲通过共振激发$1s$-至-$2p$跃迁，导致$1s$激子光致发光的瞬态猝灭。
• 尽管$1s$-至-$2s$跃迁为电偶极禁戒，仍观察到$2s$激子发射的显著增强。
• 该增强源于库仑散射介导的$2p$与$2s$态混合，从而实现$1s$与$2s$态之间的有效太赫兹跃迁。
• 微观多体理论通过推导经由中间$2p$态的$1s$与$2s$态之间有效跃迁矩阵元，成功解释了实验观测结果。