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Time–frequency analysis of nonlinear terahertz signals due to hot electrons in the nonparabolic conduction band of n–doped in0.57ga0.43as films / Analyse temps-fréquence des variations de signal terahertz non–linéaire induit par la génération d’électrons chauds dans la bande de conduction non parabolique de couche mince d’in0.57ga0.43as dopé de type N.

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García Rosas, Carlos Miguel (2021). Time–frequency analysis of nonlinear terahertz signals due to hot electrons in the nonparabolic conduction band of n–doped in0.57ga0.43as films / Analyse temps-fréquence des variations de signal terahertz non–linéaire induit par la génération d’électrons chauds dans la bande de conduction non parabolique de couche mince d’in0.57ga0.43as dopé de type N. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 99 p.

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Résumé

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L’interaction d’impulsions térahertz (THz) intenses de quelques cycles avec la matière et l’observation des effets térahertz non linéaires ont récemment attiré l’attention de la communauté scientifique. Ces études bénéficient grandement d’un aspect unique de la spectroscopie térahertz, à savoir la généra tion et la détection cohérentes combinées à la technique pompe–sonde, qui permet de mesurer le champ électrique térahertz en fonction du temps. Des travaux antérieurs ont étudié l’évolution des effets non linéaires et de la dynamique des porteurs pendant l’interaction des impulsions THz sous– cycle et de quelques cycles avec un semi–conducteur dopé. Chai et al. ont réalisé des expériences de spectroscopie non–linéaire THz dans le domaine temporel sur un échantillon d’In0.57Ga0.43As dopés n en utilisant une impulsion de térahertz quasi–demi–cycle avec une fréquence fondamentale inférieure à 0.2 THz, démontrant le contrôle sous–cycle des interacrions non–linéaire THz et la génération de haute fréquence térahertz basée sur les effets de diffusion inter–bande des porteurs de charges. Dans cette thèse, nous démontrons des effets THz non–linéaires forts induits par une impulsion térahertz intense à plusieurs cycles dans la couche mince du semi–conducteur dopé. Une conclusion importante de cette thèse est que nous clarifions, pour première fois, le mécanisme qui entraîne la génération de composantes à basse et haute fréquence, qui sont purement liées à des effets intra– vallée, reflétant la non–parabolicité de la bande de conduction. En utilisant la transformée de Gábor, nous avons clarifié le temps d’émission des photons à différentes fréquences, permettant une meilleure compréhension de la dynamique correspondantes. Nous aimerions noter que des composantes sim ilaires à basse et haute fréquence ont été observées dans des rapports récents sur les interactions térahertz–matière intenses, comme celles observées dans les spectres harmoniques d’ordre supérieur du graphène [H. Hafez et al., Nature, 561, 507–511 (2018)]. Compte tenu de l’impact que l’optique non linéaire a eu en physique et en physique appliquée, et des récents progrès rapides dans les inter actions térahertz–matière intenses et l’optique térahertz non linéaire, nous pensons que les nouvelles connaissances que présentent les travaux actuels sont d’une grande importance et d’un grand intérêt. Nous détaillons également les différents mécanismes responsables de l’émission d’harmoniques d’ordre élevé pour les impulsions térahertz a basse et haute fréquence THz (0.2 THz ∼ 1.5 THz) avec des champs électriques de crête incidents allant de 100 kV/cm à 500 kV/cm. Nos résultats montrent que pour les impulsions térahertz à fréquences relativement basses, à cycles multiples et à champs électriques de crête incidents élevés, les porteurs sont accélérés à une énergie moyenne élevée et la troncature de la densité de courant est d’abord obtenue, ce qui conduit à la génération d’harmoniques discrètes d’ordre élevé. Pour expliquer la génération d’harmoniques d’ordre élevé, nous analysons les populations de porteurs dans les vallées Γ, L et X, avec une impulsion de 0.2 THz, montrant une décroissance drastique de la population des porteurs de la vallée Γ autour de 16 ps. À ce moment, en raison du champ élevé (350 kV/cm), l’accélération ponderomotrice est suffisamment forte pour que les porteurs acquièrent suffisamment d’énergie cinétique pour subir ef ficacement la diffusion intermittente des vallées Γ vers les vallées L et X [X. Chai et al., Phys. Rev. Lett. 121, 143901 (2018)]. La génération d’harmoniques d’ordre élevé est principalement causée par les transitions intermittentes des porteurs de la vallée Γ vers les vallées L et X, et aussi des vallées L vers les vallées X et vice versa. Pour les impulsions térahertz à fréquences relativement élevées et à cycles multiples et les champs de crête faibles, nous constatons qu’il est difficile d’avoir des troncatures de courant plus rapides que la durée du demi–cycle de la forme d’onde térahertz incidente originale, et par conséquent, les harmoniques sont plus difficiles à voir.

Abstract

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The interaction of intense, few–cycle terahertz (THz) pulses with matter and the observation of non linear terahertz effects have recently attracted considerable attention from the scientific community. Such studies are greatly benefiting from a unique aspect of terahertz spectroscopy, that is, coher ent generation and detection combined with the pump–probe technique, which allows time–resolved terahertz electric field measurements. Previous works have studied the evolution of nonlinear effects and carrier dynamics during the interaction of subcycle and few–cycle terahertz pulses with doped semiconductors. Chai et al. performed nonlinear terahertz time–domain spectroscopy experiments on n–doped In0.57Ga0.43As using a quasi–half–cycle terahertz pulse with a fundamental frequency of less than 0.2 THz, demonstrating the subcycle control of terahertz nonlinearities and terahertz high–frequency generation based on intraband carrier scattering effects. In this dissertation, we demonstrate strong nonlinear terahertz effects induced by an intense multi–cycle terahertz pulse in a doped semiconductor thin film. An important finding of this thesis is that we clarify, for the first time, the mechanism that results in the generation of low– and high– frequency components, which are purely related to intravalley effects, reflecting the nonparabolicity of the conduction band. Using the Gábor transform, we have clarified the time of emission of pho tons at different frequencies, providing a better understanding of the related carrier dynamics. We would like to note that similar low– and high–frequency components have been observed in recent reports on intense terahertz–matter interactions, such as those observed in the high–order harmonic spectra from graphene [H. Hafez et al., Nature, 561, 507–511 (2018)]. Considering the impact that nonlinear optics has had in physics and applied physics, and the recent rapid progress in intense terahertz–matter interactions and nonlinear terahertz optics, we believe that the new knowledge that the current work presents would be of high importance and interest. We also detail the different mechanisms responsible for the high–order harmonic emission for both relatively low– and high–frequency (0.2 THz ∼ 1.5 THz) terahertz pulses with incident peak electric fields ranging from 100 kV/cm up to 500 kV/cm. Our results show that for relatively low– frequency multi–cycle terahertz pulses and high incident peak fields, the carriers are accelerated to high average energy, resulting in the truncation in the current density, leading to discrete high– order harmonic generation. To explain the high–order harmonic generation, we analyze the carrier populations in the Γ, L and X valleys, with a 0.2 THz pulse, showing a drastic decay in the carrier population of the Γ valley at a certain time. At that moment, because of the high incident field (350 kV/cm), the ponderomotive acceleration is strong enough that the carriers gain sufficient kinetic energy to efficiently undergo intervalley scattering from the Γ to the L and X valleys [X. Chai et al., Phys. Rev. Lett. 121, 143901 (2018)]. The high–order harmonic generation is mainly caused by the intervalley transitions of the carriers from the Γ valley to L and X valleys, and also from L valleys to X valleys and vice versa. For relatively high–frequency multi–cycle terahertz pulses and low incident peak fields, we find that it is challenging to have current truncations faster than the duration of the half–cycle of the original incident terahertz waveform, and as a result, harmonics are harder to see.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Ozaki, Tsuneyuki
Mots-clés libres: térahertz; impulsions térahertz à cycles multiples; génération d’harmoniques d’ordre élevé; composantes basse et haute fréquence; diffusion inter– et intra–vallée; transformée de Gábor; terahertz; multi–cycle terahertz pulses; high–order harmonic generation; low– and high–frequency components; inter– and intra–valley scattering; Gábor transform
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 nov. 2021 14:21
Dernière modification: 19 nov. 2021 14:21
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12069

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