De absorptie van licht in halfgeleiderkristallen zonder inversiesymmetrie kan elektrische stromen opwekken. Onderzoekers van het Max Born Institute hebben nu gerichte stromen gegenereerd op terahertz (THz) frequenties, veel hoger dan de kloksnelheden van de huidige elektronica. Ze laten zien dat elektronische ladingsoverdracht tussen naburige atomen in het kristalrooster het onderliggende mechanisme vertegenwoordigt.

Zonnecellen zetten de energie van licht om in elektrische gelijkstroom (DC) die aan een elektriciteitsnet wordt geleverd. De belangrijkste stappen zijn de scheiding van ladingen na lichtabsorptie en hun transport naar de contacten van het apparaat. De elektrische stromen worden gedragen door negatieve (elektronen) en positieve ladingsdragers (gaten) die zogenaamde intrabandbewegingen uitvoeren in verschillende elektronische banden van de halfgeleider. Vanuit een natuurkundig oogpunt, de volgende vragen zijn essentieel:wat is de kleinste eenheid in een kristal die een foto-geïnduceerde gelijkstroom (DC) kan leveren? Tot welke maximale frequentie kan men zulke stromen opwekken? Welke mechanismen op atomaire schaal zijn verantwoordelijk voor dergelijk ladingstransport?

De kleinste eenheid van een kristal is de zogenaamde eenheidscel, een goed gedefinieerde rangschikking van atomen bepaald door chemische bindingen. De eenheidscel van het prototype halfgeleider GaAs wordt getoond in figuur 1a en vertegenwoordigt een rangschikking van Ga- en As-atomen zonder een inversiecentrum. In de grondtoestand van het kristal vertegenwoordigd door de elektronische valentieband, de valentie-elektronen zijn geconcentreerd op de bindingen tussen de Ga- en de As-atomen (Figuur 1b). Bij absorptie van nabij-infrarood of zichtbaar licht, een elektron wordt gepromoveerd van de valentieband naar de volgende hogere band, de geleidingsband. In de nieuwe staat, de elektronenlading wordt verschoven naar de Ga-atomen (Figuur 1b). Deze ladingsoverdracht komt overeen met een lokale elektrische stroom, de interband of schuifstroom, wat fundamenteel verschilt van de elektronenbewegingen in intrabandstromen. Tot voor kort, er is een controversieel debat geweest onder theoretici of de experimenteel waargenomen foto-geïnduceerde stromen te wijten zijn aan bewegingen tussen de banden of tussen de banden.

Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn, Duitsland, hebben voor het eerst optisch geïnduceerde schuifstromen in de halfgeleider galliumarsenide (GaAs) onderzocht op ultrasnelle tijdschalen tot 50 femtoseconden (1 fs =10 ^-15 seconden). Ze rapporteren hun resultaten in het huidige nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven 121, 266602 (2018) . Met behulp van ultrakorte, intense lichtpulsen van het nabije infrarood (λ =900 nm) naar het zichtbare (λ =650 nm, Oranje kleur), ze genereerden schuifstromen in GaAs die oscilleren en, dus, zenden terahertz-straling uit met een bandbreedte tot 20 THz (Figuur 2). De eigenschappen van deze stromen en de onderliggende elektronenbewegingen worden volledig weerspiegeld in de uitgezonden THz-golven die in amplitude en fase worden gedetecteerd. De THz-straling laat zien dat de ultrakorte stroomstoten van gelijkgericht licht frequenties bevatten die 5000 keer hoger zijn dan de hoogste kloksnelheid van de moderne computertechnologie.

De eigenschappen van de waargenomen schuifstromen sluiten een intrabandbeweging van elektronen of gaten absoluut uit. In tegenstelling tot, modelberekeningen gebaseerd op de interbandoverdracht van elektronen in een pseudo-potentiële bandstructuur reproduceren de experimentele resultaten en laten zien dat een reële-ruimteoverdracht van elektronen over de afstand in de orde van een bindingslengte het belangrijkste mechanisme vertegenwoordigt. Dit proces is werkzaam binnen elke eenheidscel van het kristal, d.w.z., op een schaal van minder dan nanometer, en veroorzaakt de rectificatie van het optische veld. Het effect kan worden benut bij nog hogere frequenties, biedt nieuwe interessante toepassingen in hoogfrequente elektronica.