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THz 연구는 응집성 펨토초 증폭기 전력의 이점
안정적인 바카라 카지노 Elite Duo의 높은 펄스 에너지와 펄스 반복률의 조합은 반도체의 고전계 전자 동작을 조사하는 데 사용되는 강력한 CEP-안정 THz 펄스를 가능하게 합니다.
소개
레겐스부르크 대학의 Rupert Huber 교수 연구실에서는 바카라 카지노 초고속 증폭기 모델 Legend Elite Duo를 사용하여 CEP 안정화 THz 펄스를 생성했습니다. 이러한 펄스는 100MV/cm에 가까운 일시적인 THz 장의 영향을 받는 GaSe 샘플의 전자 동작을 조사하는 데 사용됩니다. GaSe 검출기에서 8fs 펄스로 결과 신호를 전기광학적 "스트로보스코픽" 게이팅함으로써 데이터는 Bloch 진동에 대한 중요한 정보뿐만 아니라 이러한 높은 필드와 짧은 시간 간격에서만 나타나는 일관성 및 간섭 전도 메커니즘을 제공합니다[1]. 이 정보는 응집성 전자 장치 및 잠재적인 응집성 THz 속도 전자 컴퓨팅의 초기 분야에서 사용될 수 있습니다. 부가적인 이점으로, 샘플에서 방사되는 신호는 원적외선의 0.1THz 미만부터 자외선의 675THz까지 고유하게 포괄하는 고차 고조파의 확장된 "사다리" 형태를 취하는 것으로 표시되며, 모두 광자 실험에 사용하기 위해 완전한 위상 안정성으로 고정되어 있습니다. 높은 필드 진폭과 고조파 CEP 안정 생성은 Legend Elite 증폭기의 펄스 에너지와 안정성을 통해 가능해집니다.
솔리드 스테이트 전자공학의 새로운 개척
마이크로 전자공학의 성능과 밀도는 무어의 법칙에 따라 계속해서 끊임없이 증가하고 있습니다. 수년 동안 이 중요한 산업 로드맵에 보조를 맞추는 데 있어 주요 과제는 추정된 회절 한계를 훨씬 뛰어넘는 마이크로리소그래피를 추진하는 더욱 작은 구조를 제작하는 것이었습니다. 그러나 게이트 라인과 기타 기능이 수십 나노미터로 축소됨에 따라 고유한 재료 특성에 장애물이 나타나기 시작했습니다. 예를 들어 낮은 유전체의 사용이 증가하는 것을 목격할 수 있습니다. 새로운 과제에는 극도로 높은 전기장으로 인한 다른 효과와 물리적 크기 축소로 인한 응집성/양자 현상의 시작이 포함됩니다. 소위 응집성 전자 장치를 포함한 통합 전자 장치의 지속적인 발전을 위해서는 이러한 극한 조건에서 전자(및 홀)가 어떻게 동작하는지에 대한 더 깊은 이해가 필요합니다.
예를 들어 최신 IC에서는 전기장이 일시적으로 1MV/cm를 초과할 수 있으므로 고체 물리학자들은 이 크기 이상의 전기장에서 기본 전하 수송 메커니즘이 어떻게 달라지는지 알고 싶어합니다. 이는 많은 반도체 재료의 일반적인 항복 자기장이 약 1MV/cm이고 더 높은 자기장이 적용되면 고장(심지어 연소)이 빠르게 발생하기 때문입니다. 더 높은 자기장을 몇 펨토초 동안 안전하게 적용할 수 있는 한 가지 솔루션은 초고속 THz 펄스를 사용하는 것입니다.
왜 THz 펄스인가?
THz 방사선은 적외선과 마이크로파 영역 사이에 끼어 있는 전자기 스펙트럼의 일부입니다. 유용한 강도를 갖는 THz 방사선은 기존(예: 흑체) 방법으로는 생성하기가 매우 어렵기 때문에 최근 레이저 기반 방법과 영리한 고속 감지 방식이 개발되면서 이 방사선 창이 호기심에서 다양한 과학 및 상업적 응용 분야의 중요한 도구로 전환되었습니다.
여기에 설명된 바와 같이 초고속 레이저를 사용한 주파수 혼합 기술을 사용하면 에너지가 30마이크로줄이고 펄스 지속 시간이 수십 펨토초 이하인 응집성 광대역 THz 펄스를 생성할 수 있습니다. 이러한 펄스는 샘플에 초점을 맞추면 100MV/cm에 가까운 국지적 전기장을 생성할 수 있기 때문에 반도체 연구에 유용합니다. THz 광자의 에너지는 일반적인 반도체 밴드갭의 2배 이하이므로 THz 높은 필드는 정밀하게 조정 가능한 바이어스 역할을 할 수 있습니다. 더욱이, 순간 전계 강도는 많은 반도체의 일반적인 DC 항복 전압보다 2배 더 클 수 있지만, 펄스의 짧은(펨토초) 지속 시간은 실제로 물질 파괴가 발생할 위험 없이 결과적인 높은 전계 효과를 연구할 수 있음을 의미합니다.
CEP 안정화 응집 THz 펄스 생성
2008년 Huber 그룹은 전기장 진동과 펄스의 캐리어 포락선 사이의 위상이 매우 안정적이고 쉽게 조정 가능한 THz 펄스를 생성하는 방법을 시연했습니다. 여기에 설명된 작업은 반도체(이 경우 갈륨 셀레나이드(GaSe))의 전하 수송을 연구하기 위해 이러한 CEP 안정화 THz 펄스를 처음으로 사용하는 것입니다. (다른 그룹의 이전 연구에서는 반도체에 대한 비CEP 안정화 THz 펄스의 영향을 조사했습니다.) CEP 지연을 조정하는 능력이 전도 경로에 대해 지금까지 숨겨진 정보를 밝힐 수 있을 것으로 예상되었습니다.
그림 1에 표시된 것처럼 설정의 핵심은 펄스 바카라 카지노 Evolution 레이저로 펌핑되는 바카라 카지노 Legend Elite Duo 초고속 증폭기입니다. 증폭기는 저잡음 바카라 카지노 Verdi 레이저로 펌핑되는 티타늄:사파이어 바카라 카지노 Vitara 레이저 발진기에 의해 시드됩니다. 증폭기 출력 빔은 두 개의 조정 가능한 광학 파라메트릭 증폭기(OPA)를 펌핑하는 데 사용됩니다. 이 두 OPA의 신호 파장은 적절한 DFG(차이 주파수 생성) 크리스털에 결합될 때 출력 간에 테라헤르츠 주파수 차이(예: 30THz)를 생성하도록 조정됩니다. DFG 기술을 사용하면 결과 펄스가 '수동적으로' CEP 안정적이면서도 CEP 안정화 펌프 레이저가 필요하지 않습니다.
그림 1.이 THz 연구에 사용된 실험 시스템의 개략도.
THz 펄스를 생성하는 다른 방법과 비교하여 Huber의 방법은 몇 가지 장점이 있습니다. 먼저 THz 펄스는 일관성이 있어 반도체 또는 유전체 재료에 초점을 맞출 때 높은 전기장 생성이 가능합니다. 또한 두 OPA 간의 주파수(파장) 차이를 조정하기만 하면 THz 펄스의 중심 파장을 쉽게 조정할 수 있습니다. 이러한 펄스를 통해 연구자는 전기장 강도, THz 주파수 및 CEP 오프셋과 같은 여러 매개변수의 함수로 효과를 연구할 수 있습니다.
강력한 증폭기의 필요성
이 연구에 사용된 레이저 시스템의 핵심은 티타늄:사파이어 증폭기이며, 이는 주로 높은 펄스 에너지, 높은 반복률(따라서 높은 평균 출력), 뛰어난 빔 품질 및 냉각 단순성 때문에 선택되었습니다. 이제 이러한 특성이 왜 매우 중요한지, 그리고 Legend Elite Duo가 이러한 장점의 조합을 어떻게 독특하게 제공하는지 살펴보겠습니다.
Huber 팀원인 Olaf Schubert 박사에 따르면, "높은 펄스 에너지는 두 가지 이유로 중요합니다. 첫째, 이는 가장 높은 THz 펄스 에너지로 이어지며 이에 따라 반도체 샘플에서 가장 높은 과도 필드가 발생합니다. 그리고 마찬가지로 중요한 것은 CEP 안정화 THz 펄스를 생성하는 이 방법은 완전히 위상 상관된 두 개의 OPA를 사용하는 것입니다. 이 상관 관계를 달성하는 유일한 간단한 방법은 두 OPA를 모두 제공해야 하는 단일 증폭기 소스에서 두 OPA를 구동하는 것입니다. 두 OPA 모두에 대해 증폭기 구동 전력과 단일 백색광 시드 펄스를 제공합니다.” Huber THz 설정이 처음 조립되었을 때 원하는 3kHz 반복 속도에서 사용 가능한 가장 높은 펄스 에너지는 Legend Elite Duo의 5밀리줄이었습니다.*
이러한 유형의 연구에서는 반복률이 높기 때문에 이러한 실험에 수반되는 모든 비선형 상호 작용에도 불구하고 다중 매개변수 실험을 더 짧은 기간 내에 수행할 수 있습니다. Legend Elite는 3kHz에서 최대 15mJ/펄스를 제공하는 주파수가 두 배로 증가된 Nd:YLF 레이저인 강력한 Evolution -HE로 펌핑될 때 3kHz에서도 높은 펄스 에너지를 제공합니다.
빔 품질(즉, 낮은 M2109393_109900
그림 2.THz 구동 필드(파란색, 실선)의 파형은 3개의 광학 사이클을 포함하는 109fs의 절반 최대 강도의 전폭을 갖는 가우스 엔벨로프(검은색 점선 곡선)를 특징으로 합니다. 과도 현상은 8fs 근적외선 게이트 펄스(중심 파장, 0.84μm)를 사용하여 GaSe 센서(두께, 40μm)에서 전기 광학적으로 기록되었습니다.
바카라 카지노 Legend 증폭기는 단기 및 장기적으로 일관된 높은 빔 품질과 잡음을 제공하도록 설계되었으므로 각 실험 데이터 세트를 빠르게 획득할 수 있을 뿐만 아니라 매우 반복 가능합니다.
전기광학 감지 – 펨토초 속도의 THz 신호 샘플링
이미 언급한 바와 같이 반도체(GaSe) 샘플에 초점을 맞추면 강렬한 THz 펄스가 펨토초 단위로 진동하는 100MV/cm 전기장을 생성합니다. 장은 GaSe의 전자를 여기시키고 그 역학은 진동 여기의 결과로 재방출되는 THz 방사선을 "스트로보스코픽 방식으로" 감지하여 펨토초 분해능으로 모니터링할 수 있습니다.
이 THz 신호 펄스는 포켈스 효과를 사용하여 기록됩니다. 기존 포켈스 셀에서는 KD*P와 같은 결정에 고전압 전기장이 인가됩니다. 이로 인해 크리스탈이 들어오는 광학 방사선의 편광을 회전하게 됩니다. 교차편파기를 추가하면 능동형 광 스위치가 생성됩니다. 여기에 설명된 연구에서 THz 장은 상대적으로 느린 전기장을 대체하여 일시적인 복굴절을 유도합니다. THz 필드 진동의 빠른 감지는 OPA 출력의 일부를 YAG 결정에 집중시킨 다음 이러한 스펙트럼이 넓은 펄스를 8fs 펄스폭으로 재압축하여 생성된 초연속 펄스의 전송에서 편광 이동을 감지함으로써 수행됩니다(그림 1 참조). (일련의 이전 실험에서 이러한 펄스는 광섬유 레이저에서 생성되었습니다[2]).
또한 시간 평균 신호는 InGaAs 다이오드 어레이와 실리콘 CCD가 장착된 분산형 모노크로메이터를 통해 주파수 영역에서 매핑됩니다. 포켈스가 감지한 데이터와 함께 이 설정을 통해 방출된 스펙트럼을 테라헤르츠 영역에서 원적외선을 통해 가시 스펙트럼으로 매핑할 수 있습니다.
전자공학의 의미 – 블록 진동 및 기타.
Felix Bloch는 85년 전에 이러한 GaSe 샘플과 같은 주기적인 고체에서 고도로 가속된 전자가 빠른 진동을 겪게 될 것이라고 예측했습니다. 그 이유는 유효 파장이 결정 격자와 동일한 크기 규모에 있기 때문입니다 [3]. (이는 더 긴 파장에서 광자와 주기 구조 사이의 잘 알려진 간섭과 유사합니다.) 그러나 자연 고체의 블로크 진동은 전자의 매우 빠른 산란으로 인해 관찰하기가 거의 불가능합니다[4]. 펨토초 THz 펄스를 사용하면 여기 시간 척도가 산란 과정과 비슷하거나 빨라지며 진동하는 전자는 0.1~675THz의 주파수 범위 전체에서 감지 가능한 전자기 방사선을 방출합니다.
기술적으로 말하면, THz 여기 펄스가 외부 전기장을 빠르게 전환함에 따라 전자는 가전자대와 전도대 사이에서 전환을 겪습니다. 이는 광자 에너지가 낮기 때문에 선형 광 흡수에서는 불가능합니다. 더욱이, 결과 방출의 세부 사항은 여기 펄스의 CEP 오프셋 변화에 매우 민감합니다.
그림 3.GaSe 샘플에서 전자의 진동 여기로 인해 0.1THz에서 최대 675THz까지 확장된 고조파 사다리가 방출됩니다.
마르부르크 대학의 Stephan W. Koch 및 Mackillo Kira 그룹은 Paderborn 대학의 Torsten Meier와 협력하여 Bloch의 독창적인 예측을 훨씬 뛰어넘는 완전한 양자 다체 이론을 개발하여 이러한 종속성을 성공적으로 분석했습니다[5]. 간단히 말해서, 그들은 세 개의 서로 다른 원자가 띠와 두 개의 전도 띠가 관련되어 있음을 보여주었습니다. 이 복잡한 상황은 가전자대와 전도대 사이의 여기를 위한 여러 경로를 제공합니다(그림 4 참조). 그들은 관찰된 CEP 의존성이 서로 다른 경로 간의 간섭의 결과임을 보여줍니다.
그림 4.전자는 GaSe의 5개 서로 다른 밴드(3개의 가전자대와 2개의 전도대) 사이를 이동할 수 있어 여러 여기 경로를 제공합니다.
간단히 말하면, 이러한 고유한 데이터는 테라플롭 클럭 속도의 미래 반도체 장치와 관련된 이전에 숨겨진 양자 전자 현상을 드러냅니다. 특히, 그들은 빛의 단일 주기의 시간 척도에 따른 고전계 전하 수송의 새로운 체제에 대한 첫 번째 창을 제공합니다.
포토닉스 영향 – 위상 고정 고조파
광자적 관점에서 볼 때 GaSe에서 방출되는 방사선의 특성은 똑같이 흥미롭고 잠재적으로 광범위한 중요성과 유용성을 갖습니다. 첫째, 이 방사는 믿을 수 없을 정도로 광범위한 고조파와 그에 따른 주파수를 포괄합니다. 이는 신호 강도가 자연적으로 감소하고 광검출기의 파장 범위를 초과하기 전에 <0.1THz의 기본 주파수에서 가시광선을 거쳐 675THz의 22차 고조파까지 확장됩니다.
이 주파수 빗의 두 가지 측면은 펨토초 시간 척도에서 다른 과학을 수행하는 데 유용하고 고유한 도구가 됩니다. 첫째, 이는 고조파의 매우 긴 사다리이며, 둘째, 모든 고조파는 전자기 스펙트럼의 광범위한 범위에 걸쳐 있음에도 불구하고 일관성이 있고 위상이 정확하게 고정되어 있습니다. Huber의 그룹은 주파수를 두 배로 늘려 표준 f-2f 간섭계 비교를 수행하여 이 CEP 안정성을 확인했습니다. 6차 고조파를 검출하고, 이 고조파와 12차 고조파 사이의 간섭을 감지합니다. 이는 전체 10분 측정 간격에 걸쳐 마이크로라디안 수준의 CEP 안정성을 보여주었습니다.
요약
집적 반도체 회로의 더 높은 밀도와 더 빠른 속도의 개발을 지원하려면 반도체 물리학의 새로운 영역을 탐구해야 합니다. 활기차고 안정적인 펨토초 레이저 증폭기는 THz 영역 고조파 생성과 같은 고도의 비선형 프로세스를 펌핑하여 고자장, 고속 고체 물리학을 조사할 수 있는 고유한 도구를 제공합니다. 이러한 조건에서 일관된 전자 효과에 대한 새로운 정보를 공개하는 것 외에도 중요한 부작용은 전자기 스펙트럼의 가시 범위를 통해 전체 THz에 걸쳐 펨토초 지속 시간의 위상 안정화 고조파의 확장된 사다리를 생성한다는 것입니다. 이 사다리는 최첨단 광자 실험에 유용한 도구임이 입증될 것입니다.