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德国高校在高纯度砷化镓中首次展示了半导体的Wannier-Stark效应

德国康斯坦茨大学和帕德博恩大学的科学家们利用苏黎世联邦理工学院生产的高纯度GaAs晶体,首次生产和展示了所谓的Wannier-Stark效应。通过该研究,物理学家设法克服了迄今为止在光电子学和光子学领域被认为无法克服的障碍。研究成果已发表于《自然-通信》。

 

Wannier-Stark效应会导致结晶固体电力系统内的极度不平衡。康斯坦茨大学物理系Alfred Leitenstorfer说道说到,“这种基本效应在80多年前就被预测出来。但是现在还不清楚这种状态是否可以在块状晶体中实现,即在原子之间的化学键水平上实现”。


到目前为止,这种类似的效应仅在半导体超晶格或超冷原子气体等人工系统中得到证实。在体固体中,Wannier-Stark效应只能保持极短的时间,比红外光的单一振荡还短。

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上图是康斯坦茨大学高强度Terahertz实验室的实验装置。在实验的极端条件下,可以看到半导体的GaAs晶体发出明亮的红光。这是由于在系统具有极高的光学非线性,发生Wannier-Stark效应时的表现。

 

什么是Wannier-Stark效应?

我们试图想象一个晶体的原子,它必须是一个由小珠子组成的三维网格,这些小珠子相互排斥并且只用橡皮筋保持在一起。只要橡皮筋与排斥力一样强,系统就会保持稳定。如果是这种情况,珠子也不会彼此靠近,也不会彼此远离 - 它们之间的距离保持大致相同。当橡皮筋突然被移除时,会发生Wannier-Stark效应。


电子状态发生在橡皮筋消失的精确时刻,但珠子仍然保留在原位:将晶体固定在一起的化学键已经消失。


如果这种状态保持太长时间,珠粒将分裂并且晶体溶解。为了分析Wannier-Stark局部化,物理学家必须移除稳定结构,使用光脉冲在一小部分光振荡内捕获系统,最后再次稳定它以防止原子分裂。

 

通过超高频红外光脉冲的高强度电场实现了该实验,该超短红外光脉冲仅存在于晶体中几毫秒。Alfred Leitenstorfer解释道,“这就是我们的专长,研究只存在于非常短的时间尺度上的现象”。


帕德博恩大学的Torsten Meier说,“在完美的绝缘体和半导体中,电子状态在整个晶体中扩展。根据80年前的预测,一旦施加电压,这种情况就会发生变化”。而如果晶体内的电场足够强,电子状态可以局限于几个原子。这个状态被称为万尼尔 - 斯塔克阶梯。

 

新的电子特性

Alfred Leitenstorfer说:“一个偏离平衡的系统具有全新的特征”。短暂的Wannier-Stark效应与晶体电子结构的急剧变化相关,并导致例如极高的光学非线性。


通过场强超过千万伏/厘米的高强度太赫兹辐射,首次实验性实现了砷化镓晶体中Wannier-Stark效应。更多超短光脉冲的应用可能会导致晶体光学特性的变化,这将更有助于证明这种状态。


Alfred Leitenstorfer说:“如果我们使用仅仅持续大约10飞秒的几次振荡的适当强光脉冲,我们就可以在短时间内实现Wannier-Stark效应”。研究人员计划在未来更详细地研究Wannier-Stark在原子尺度上的极端状态,并打算使其特定的特性可用。

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