Fig.1 :(a) Cellule unitaire du semi-conducteur à l'arséniure de gallium (GaAs). Des liaisons chimiques (bleues) relient chaque atome de Ga à quatre atomes d'As voisins et vice versa. Densité électronique de valence dans le plan gris de (a) dans l'état fondamental (b) (les électrons sont dans la bande de valence) et dans l'état excité (c) (les électrons sont dans la bande de conduction). Outre les électrons de valence indiqués, il y a des électrons étroitement liés près des noyaux. Crédit :Institut Max Born
L'absorption de la lumière dans les cristaux semi-conducteurs sans symétrie d'inversion peut générer des courants électriques. Les chercheurs de l'institut Max Born ont maintenant généré des courants dirigés à des fréquences térahertz (THz), beaucoup plus élevé que les fréquences d'horloge de l'électronique actuelle. Ils montrent que le transfert de charge électronique entre atomes voisins dans le réseau cristallin représente le mécanisme sous-jacent.
Les cellules solaires convertissent l'énergie de la lumière en un courant électrique continu (CC) qui alimente un réseau d'alimentation électrique. Les étapes clés sont la séparation des charges après absorption de la lumière et leur transport vers les contacts de l'appareil. Les courants électriques sont transportés par des porteurs de charge négatifs (électrons) et positifs (trous) effectuant des mouvements dits intrabandes dans diverses bandes électroniques du semi-conducteur. D'un point de vue physique, les questions suivantes sont essentielles :quelle est la plus petite unité d'un cristal pouvant fournir un courant continu photo-induit (CC) ? Jusqu'à quelle fréquence maximale peut-on générer de tels courants ? Quels mécanismes à l'échelle atomique sont responsables d'un tel transport de charges ?
La plus petite unité d'un cristal est ce qu'on appelle la cellule unitaire, un arrangement bien défini d'atomes déterminé par des liaisons chimiques. La cellule unitaire du prototype de semi-conducteur GaAs est représentée sur la figure 1a et représente un arrangement d'atomes de Ga et d'As sans centre d'inversion. Dans l'état fondamental du cristal représenté par la bande de valence électronique, les électrons de valence sont concentrés sur les liaisons entre les atomes Ga et As (figure 1b). Lors de l'absorption de la lumière proche infrarouge ou visible, un électron est promu de la bande de valence à la bande immédiatement supérieure, la bande de conduction. Dans le nouvel état, la charge électronique est déplacée vers les atomes de Ga (figure 1b). Ce transfert de charge correspond à un courant électrique local, le courant interbande ou de décalage, ce qui est fondamentalement différent des mouvements des électrons dans les courants intrabandes. Jusque récemment, il y a eu un débat controversé parmi les théoriciens pour savoir si les courants photo-induits observés expérimentalement sont dus à des mouvements intrabande ou interbande.
Fig. 2 :Le concept expérimental est montré en haut. Une courte impulsion dans le domaine spectral proche infrarouge ou visible est envoyée sur une fine couche de GaAs. Le champ électrique du rayonnement THz émis est mesuré en fonction du temps (1 ps =10-12 s). Un exemple d'une telle forme d'onde THz est illustré ci-dessous. Il contient des oscillations d'une période de 0,08 ps correspondant à une fréquence de 12000 GHz=12 THz. Crédit :Institut Max Born
Chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin, Allemagne, ont étudié pour la première fois les courants de décalage induits optiquement dans l'arséniure de gallium semi-conducteur (GaAs) sur des échelles de temps ultrarapides jusqu'à 50 femtosecondes (1 fs =10 -15 secondes). Ils rapportent leurs résultats dans le numéro actuel de la revue Lettres d'examen physique 121, 266602 (2018) . Utilisation ultracourte, des impulsions lumineuses intenses du proche infrarouge (λ =900 nm) au visible (λ =650 nm, couleur orange), ils ont généré des courants de décalage dans GaAs qui oscillent et, Donc, émettent un rayonnement térahertz avec une bande passante jusqu'à 20 THz (Figure 2). Les propriétés de ces courants et les mouvements électroniques sous-jacents sont pleinement reflétés dans les ondes THz émises qui sont détectées en amplitude et en phase. Le rayonnement THz montre que les salves de courant ultracourtes de lumière rectifiée contiennent des fréquences qui sont 5000 fois plus élevées que la fréquence d'horloge la plus élevée de la technologie informatique moderne.
Les propriétés des courants de décalage observés excluent définitivement un mouvement intrabande d'électrons ou de trous. En revanche, des calculs de modèles basés sur le transfert interbande d'électrons dans une structure de bande pseudo-potentielle reproduisent les résultats expérimentaux et montrent qu'un transfert d'électrons dans l'espace réel sur une distance de l'ordre d'une longueur de liaison représente le mécanisme clé. Ce processus est opérationnel au sein de chaque cellule unitaire du cristal, c'est à dire., sur une échelle de longueur sub-nanométrique, et provoque la rectification du champ optique. L'effet peut être exploité à des fréquences encore plus élevées, offrant de nouvelles applications intéressantes en électronique haute fréquence.
