В 5000 раз быстрее, чем компьютер — межатомный выпрямитель света генерирует направленные электрические токи.
Поглощение света в полупроводниковых кристаллах без инверсионной симметрии может генерировать электрические токи. Исследователи из Института Макса Борна в настоящее время генерируют направленные токи на терагерцовых (ТГц) частотах, намного превышающих тактовые частоты современной электроники. Они показывают, что передача электронного заряда между соседними атомами в кристаллической решетке представляет собой основной механизм.
Солнечные элементы преобразуют энергию света в электрический постоянный ток (постоянный ток), который подается в электросеть. Ключевыми этапами являются разделение зарядов после поглощения света и их транспортировка к контактам устройства. Эти электрические тока переносятся отрицательными (электроны) и положительными носителями заряда (дырки) , осуществляющих так называемые внутризонными движения в различных электронных зонах полупроводника. С точки зрения физики важны следующие вопросы: какая наименьшая единица в кристалле может обеспечить фотоиндуцированный постоянный ток (DC)? До какой максимальной частоты можно генерировать такие токи? Какие механизмы в атомном масштабе ответственны за такую передачу заряда?
Наименьшая единица кристалла — это так называемая элементарная ячейка, четко определенное расположение атомов, определяемое химическими связями. Элементарная ячейка прототипа полупроводникового GaAs показана на рисунке 1а и представляет собой расположение атомов Ga и As без центра инверсии. В основном состоянии кристалла, представленного электронной валентной зоной, валентные электронысосредоточены на связях между атомами Ga и As (рис. 1б). После поглощения ближнего инфракрасного или видимого света электрон продвигается из валентной зоны в следующую более высокую зону, зону проводимости. В новом состоянии заряд электрона смещен в сторону атомов Ga (рис. 1б). Эта передача заряда соответствует локальному электрическому току, межзонному или сдвиговому току, который принципиально отличается от электронных движений во внутризонных токах. До недавнего времени среди теоретиков возникали противоречивые дебаты о том, вызваны ли экспериментально наблюдаемые фотоиндуцированные токи внутризонными или межзонными движениями.
Исследователи из Института Макса Борна в Берлине, Германия, впервые исследовали оптически индуцированные токи сдвига в полупроводниковом арсениде галлия (GaAs) на сверхбыстрых временных масштабах до 50 фемтосекунд (1 фс = 10 -15 секунд). Они сообщают о своих результатах в текущем выпуске журнала Physical Review Letters 121, 266602 (2018). Используя ультракороткие интенсивные световые импульсы от ближнего инфракрасного диапазона (λ = 900 нм) до видимого (λ = 650 нм, оранжевого цвета), они генерировали токи сдвига в GaAs, которые колеблются и, таким образом, излучают терагерцовое излучениес полосой пропускания до 20 ТГц (рисунок 2). Свойства этих токов и лежащих в их основе электронных движений полностью отражаются в излучаемых ТГц волнах, которые регистрируются по амплитуде и фазе. ТГц излучение показывает, что сверхкороткие импульсы тока выпрямленного света содержат частоты, которые в 5000 раз превышают максимальную тактовую частоту современных компьютерных технологий.
Свойства наблюдаемых сдвиговых токов однозначно исключают внутризонное движение электронов или дырок. Напротив, модельные расчеты, основанные на межзонном переносе электронов в структуре зон с псевдопотенциалом, воспроизводят экспериментальные результаты и показывают, что перенос электронов в реальном пространстве на расстояние порядка длины связи представляет собой ключевой механизм. Этот процесс действует в каждой элементарной ячейке кристалла, то есть в масштабе длины менее нанометра, и вызывает выпрямление оптического поля. Эффект можно использовать на более высоких частотах, предлагая новые интересные применения в высокочастотной электронике.
