Bordács Sándor doktorjelölt
Túl a távoli infrán: THz spektroszkópia az anyagtudományban
Dr. Kézsmárki István
Prof. Yohinori Tokura
Prof. Ryo Shimano
Terahertz sugárzás
THz tartomány: frekvencia: 100 GHz – 10 THz hullámhossz: 3 mm – 30 μm 1 THz = 33,3 cm-1= 4,1 meV = 48 K
Terahertz sugárzás alkalmazása • repülő téri biztonsági ellenőrzés • orvosi képalkotás • gyors adatátviteli rendszerek (Tb/s wireless) • spektroszkópia: - molekulák forgási és lágy rezgési módusai (biomolekulák lassú, nagy amplitúdójú rezgései) - adalékolt félvezetők - szupravezetők - kollektív gerjesztések: spin hullámok, ferroelektromos anyagok lány módusai, CDW
M. Tonouchi Nat Photonics 1 97(2007) M. Pepper, Teraview Ltd. M. Koch, TU Braunschweig N. Karpowicz et al. Applied Physics Letters 86, 054105 (2005)
Tartalom 1) Időfelbontásos terahertz spektroszkópia 2) THz spektroszkópia alkalmazása: • molekulák rotációs spektroszkópiája • makromolekulák gerjesztései • szabad töltéshorozók • véges frekvenciás kvantum Hall-effektus • szupravezetők vizsgálata
3) Multiferro anyagok spin hullám gerjesztései
Terahertz sugárzás keltése Dipól antenna LT-GaAs-en:
LT-GaAs: -recombináció: τrec=0.3 ps -mobilitás: μ=200 cm2/Vs (τscat=30 fs) -gap: Eg=840 nm
~10 V Ti:Sapphire LASER: -központi hullámhossz: λ=800 nm -impulzus szélesség: τ<100 fs
ETHz
j t
j (t ) P (t t ' )[en(t ' )v(t ' )]dt ' V [] e exp(t ' / rec ) (1 exp(t ' / scat )) d
Max~
1
rec
=3 THz Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) L. Duvillaret et al. IEEE J. Sel. Top. Quant. Electronics. 7 615 (2001)
Terahertz sugárzás keltése Ti:Sapphire 60 V @ 800nm 20 mW
THz sugárzás 2-3 μW
K. Sakai: Terahertz Optoelectronics Springer, Berlin (2005)
Terahertz sugárzás koherens detektálása δ-impulzus:
Dipól antenna:
n(t)
t
τrec ETHz(t) t t
jD (t ) e exp(t / rec ) exp(t ' / scat ) 0
Ti:sapphire 80 MHz
Y. S. Lee, Springer, Berlin (2009)
e ETHz (t t ' )dt ' m
Terahertz sugárzás koherens detektálása δ-impulzus:
Dipól antenna:
n(t)
t
τrec ETHz(t) t t
jD (t ) e exp(t / rec ) exp(t ' / scat ) 0
e ETHz (t t ' )dt ' m
Nagy frekvenciás korlát: 1/τrec~3 THz Alacsony frekvenciás limit: diffrakció limitált leképezés
Y. S. Lee, Springer, Berlin (2009)
Időfelbontásos terahertz spektrométer
N. Kida et al. Phys. Rev. B 78 104414 (2008)
Komplex THz spektrum Felbontás: • legnagyobb időkülönbség határozza meg: ~0.05 THz Legnagyobb frekvencia: -antenna: ~3 THz -nemlineáris optika: ~10-100 THz Transzmisszió és fázis ismeghatározható Nincs szükség Kramers-Kronig transzformációra
Molekulák ujjlenyomatai: rotációs spektrum Molekulák forgási energiája: 2 E~ ~ 1THz 2 MR 2
Víz gőz rotációs spektruma
Nagyfelbontású (~1GHz) THz spektroszkópia:
Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) A. Bartels et al., Opt Exp 14 430 (2006)
Poláros folyadékok és makromolekulák dinamikája Víz molekulák lassú dinamikája: • relaxáció: lassú (forgások, 10 ps), gyors (?, 10 fs) • H kötések nyújtási rezgései (ωT/2π=5.6 THz)
Mioglobin 2.25 THz
Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) J. Xu et al., J. Chem. Phys. 124 036101 (2006)
Félvezető szeletek érintésmentes minősítése Adalékolt p-Si szelet
ND=4.2×1015cm-3
S. Nashima et al. J. Appl. Phys. 90 15 (2001)
Coulomb gáz időfejlődése NIR pumpa – THz próba spektroszkópia
R. Huber et al., Nature 414 286 (2001)
THz kvantum Hall-effektus
Tiszta minta határeset:
xy
T. Morimoto et al., Phys. Rev. Lett. 103 116803 (2009)
e 2 c2 n h c2 2
THz kvantum Hall-effektus
Y. Ikebe et al., Phys. Rev. Lett. 104 256802 (2010)
Szupravezetők elektrodinamikája: MgB2 50 K 30 K 27 K 24 K 17.5 K 6K
6K 17.5 K 24 K 27 K 30 K 33 K
BCS fit: 2∆o=5 meV Gyenge csatolás: 2∆o=3.5kBTC=9 meV Gap alatt kvázirészecske gerjesztés R. A. Kaindl et al., Phys. Rev. Lett. 88 027003 (2002)
Mágnesesen indukált ferroelektromosság Ba2CoGe2O7-ban 21
P421m Ba Co Ge O
4 m [010]
[001] [010] [100]
• Tetragonális szerkezet, mágneses rendeződés nélkül sem poláris sem királis • Mágneses ion: Co2+ (S=3/2) • Négyzetrács, „easy-plane” antiferromágnes A. Zheludev et al., Phys. Rev. B 68 024428 (2003)
[001]
[100]
Mágnesesen indukált ferroelektromosság Ba2CoGe2O7-ban P H // [110]
P=0 H // [100]
P
H // [110]
Spinfüggő hibridizáció:
Co
T. Arima, J. Phys. Soc. Jpn. 76 073702 (2007)
H. Murakawa et al., Phys. Rev. Lett. 105 137202 (2010)
Spin gerjesztések kiválasztási szabályai Inelasztikus neutron szórás:
• 0.5 THz-es módus érzéketlen az elektromos komponens irányára (hagyományos magon) • 1 THz-es módus elektromosan és mágnesesen is gerjeszthető (elektromagnon) I. Kézsmárki et al., Phys. Rev. Lett. 106 057403 (2011)
A. Zheludev et al., Phys. Rev. B 68 024428 (2003)
Optikai magneto-elektromos effektus a THz tartományban k||M×P
A Maxwell egyenletek megoldása multiferro anyagokra: Eω||P||[001]
N || ' xz zz xx Eω P||[001]
N ' zx xx zz
I. Kézsmárki et al., Phys. Rev. Lett. 106 057403 (2011)
Mágneses tér által előidézett kiralitás Ba2CoGe2O7-ban Bω Bdc
Bω Bdc
Bω Bdc
Gerjesztések a THz tartományban
Köszönöm a figyelmet!
