Alexey Shuvaev, Andrei Pimenov, Florian Aigner, Georgy Astakhov, Mathias Mühlbauer, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann and Laurens W. Molenkamp

通過(guò)導(dǎo)通光學(xué)晶體改變柵極電壓可以改變透過(guò)拓?fù)浣^緣體薄膜的THz光的偏振方向。

今天的計(jì)算機(jī)，信息是通過(guò)電荷處理的?；诠逃械奈锢硐拗?，通過(guò)電子晶體管的減少來(lái)提高計(jì)算機(jī)處理速度面臨巨大的挑戰(zhàn)。突破這些限制的一個(gè)途經(jīng)是用光來(lái)替代電流。為使此法可行，我們需要有效的操作工具。

光在垂直于傳播方向的許多不同方向振動(dòng)。但是，偏振光只在一個(gè)方向上振動(dòng)。在一些材料上，應(yīng)用磁場(chǎng)可以改變透過(guò)光的偏振方向。這種現(xiàn)象，即法拉第效應(yīng)常常產(chǎn)生小角度的旋轉(zhuǎn)。然而，兩年前通過(guò)在磁場(chǎng)下用THz光照射水銀碲化物薄膜我們觀測(cè)到了巨大的法拉第旋轉(zhuǎn)：見圖1.。¹波長(zhǎng)為毫米量級(jí)的的THz光在等同于2代以后的計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘速度頻率產(chǎn)生共振。這項(xiàng)技術(shù)不僅限于計(jì)算：控制THz光線的輻射在很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,包括機(jī)場(chǎng)安全檢測(cè)以及生物醫(yī)學(xué)傳感。然而，通過(guò)小型化裝置來(lái)改變光的偏振方向很困難。

圖1.在外加磁場(chǎng)下，透過(guò)碲化銀（HgTe）薄膜的THz光的偏振方向被旋轉(zhuǎn)改變。

實(shí)驗(yàn)中我們利用了THz輻射和固態(tài)等離子體之間的強(qiáng)互作用。因?yàn)檫@種互作用,在外加磁場(chǎng)作用下左旋和右旋圓極化THz波有著不同的折射率。這種性質(zhì)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)基于電子摻雜的InSb晶體的寬帶THz調(diào)制器。²而在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)這種設(shè)備有兩個(gè)問(wèn)題。第一，由于增強(qiáng)的載流子散射在室溫下在InSb中并不存在巨大的法拉第效應(yīng)。第二，這種方法需要一個(gè)中等的幾百mT的外加磁場(chǎng)的快速調(diào)制——這是技術(shù)性的挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)中，我們采用了HgTe這種拓?fù)浣^緣體薄膜。³過(guò)去幾年里由于發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣體的很多性質(zhì)，包括樣品表面或邊界受保護(hù)的導(dǎo)通狀態(tài)，拓?fù)浣^緣體引起了人們大量的關(guān)注。通過(guò)在這種材料上做實(shí)驗(yàn)，一系列不平常的效應(yīng)被理論預(yù)測(cè)。^4-7包含了平常的法拉第效應(yīng)以及異常的克爾旋轉(zhuǎn)（反射光經(jīng)歷了巨大的偏振旋轉(zhuǎn)）。此外，HgTe的應(yīng)變工程可以抑制3D載流子的擴(kuò)散效應(yīng)。未形變時(shí)，HgTe是零隙半導(dǎo)體：在主體材料中總有電荷載流子影響拓?fù)鋺B(tài)的觀測(cè)。然而形變了的HgTe薄膜，能隙變?yōu)橛邢?從而可以抑制主體載流子。純2維的電子行為因可從形變的樣品中預(yù)料，從而可以尋找不平常的電動(dòng)力學(xué)，如巨大的法拉第效應(yīng)。⁸

為了在恒定磁場(chǎng)下獲得法拉第效應(yīng)，優(yōu)選一個(gè)能夠提供恒定磁場(chǎng)的永磁體(<1T),我們制作一個(gè)透明柵極的設(shè)備：見圖2(a)。在這些設(shè)備中，HgTe薄膜放置于基片上。一個(gè)半透明的RuO2柵極通過(guò)Si3N4絕緣體與HgTe活化層隔離。當(dāng)加了偏置柵極電壓時(shí)，這種結(jié)構(gòu)允許光的大部分透過(guò)樣品。在電極上加一個(gè)中等的電壓可以改變HgTe活化層中的電子等離子體載流子密度（從而改變材料性質(zhì)）。⁹

圖2.THz輻射的電壓控制。（a）通過(guò)柵極電壓控制法拉第旋轉(zhuǎn)和法拉第橢圓度的實(shí)驗(yàn)裝置圖。一個(gè)HgTe薄膜放置在CdTe基片上，用Ru02半導(dǎo)體制作的柵極通過(guò)Si3N4絕緣體與HgTe活化層隔離。這種材料保證了在偏置電壓下光的大部分可以透過(guò)樣品。（b）規(guī)一化的探測(cè)信號(hào)作為幾何上的柵極電壓(i)與偏振器平行（ii）垂直于偏振器。B:磁場(chǎng)。a.u.:任意單位

當(dāng)光通過(guò)偏振器時(shí)，通過(guò)與否取決于它的偏振方向。在我們?cè)O(shè)備中，光束的旋轉(zhuǎn)透過(guò)(因而采用了電壓)決定了光信號(hào)是否傳播，從而獲得了晶體管的基本原理。圖2(b)(i)顯示了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的作為相同偏振方向的入射波傳輸后分量的變化。圖2(b)(ii)展示了在偏振片垂直于入射波的偏振情況下光的分量變化。盡管不可能完全截止光的輻射，垂直信號(hào)的30%被抑制。

實(shí)驗(yàn)是在室溫條件下進(jìn)行的，表明這可以被實(shí)際應(yīng)用。這包括從柵極電壓或者磁場(chǎng)來(lái)改變光的偏振態(tài)，以及幅度和相位的快速調(diào)制。⁹我們相信，我們的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)可以與目前高電子遷移率晶體管媲美的較高的調(diào)制速度。

綜上所述，我們已經(jīng)能夠證明光可以被電調(diào)諧。利用磁場(chǎng)下透過(guò)HgTe基片上薄膜的THz輻射光，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)法拉第旋轉(zhuǎn)和橢圓度的控制。這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)的光學(xué)晶體管可能被實(shí)際應(yīng)用。我們打算通過(guò)改變隔離層厚度和采用更高質(zhì)量的HgTe活化層來(lái)進(jìn)一步提高設(shè)備的調(diào)制輻度（目前大約幾度/伏）。

Alexey Shuvaev, Andrei Pimenov, Florian Aigner
Vienna University of Technology
Vienna, Austria

Georgy Astakhov, Mathias Mühlbauer, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp
University of Würzburg
Würzburg, Germany

參考文獻(xiàn)：
1. A. M. Shuvaev, G. V. Astakhov, A. Pimenov, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Giant magneto-optical Faraday effect in HgTe thin films in the terahertz spectral range, Phys. Rev. Lett. 106, p. 107404, 2011. doi:10.1103/PhysRevLett.106.107404
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8. A. M. Shuvaev, G. V. Astakhov, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, A. Pimenov, Terahertz magneto-optical spectroscopy in HgTe thin films, Semicond. Sci. Tech. 27(12), p. 124004, 2012. doi:10.1088/0268-1242/27/12/124004
9. A. Shuvaev, A. Pimenov, G. V. Astakhov, M. Mühlbauer, C. Brüne, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Room temperature electrically tunable terahertz Faraday effect, Appl. Phys. Lett. 102(24), p. 241902, 2013. doi:10.1063/1.4811496

來(lái)源：SPIE Newsroom； 電子科技大學(xué)太赫茲研究中心 四川太赫茲應(yīng)用研究聯(lián)合課題組 馮曉冬 編譯