Espectroscopia de dominio temporal de terahercios

Para construir un experimento THz-TDS con antenas basadas en GaAs cultivado a baja temperatura (LT-GaAs), se requiere un láser cuya energía fotónica supere la banda prohibida del material. Los láseres de Ti:zafiro sintonizados a unos 800  nm, que coinciden con la banda prohibida del LT-GaAs, son ideales, ya que pueden generar pulsos ópticos de tan solo 10 fs . Estos láseres están disponibles como sistemas comerciales listos para usar.

Los espejos recubiertos de plata son óptimos para su uso como espejos de dirección para pulsos infrarrojos de alrededor de 800  nm. Su reflectividad es mayor que la del oro y mucho mayor que la del aluminio a esa longitud de onda.

Un divisor de haz se utiliza para dividir un pulso óptico ultracorto en dos haces separados. A menudo se utiliza un divisor de haz 50/50, que suministra la misma potencia óptica al generador y al detector de terahercios, aunque es común proporcionar más potencia a la ruta de generación de terahercios dada la ineficiencia del proceso de generación de terahercios en comparación con la eficiencia de detección de la luz infrarroja (normalmente con una longitud de onda de 800 nm).

Se implementa una línea de retardo óptico mediante una etapa móvil que permite variar la longitud de trayectoria de uno de los dos haces. Esta etapa utiliza un retrorreflector móvil para redirigir el haz a lo largo de una trayectoria de salida bien definida, pero con un retardo. El movimiento de la etapa que sostiene el retrorreflector corresponde a un ajuste de la longitud de trayectoria y, por consiguiente, al instante en que el detector de terahercios se activa con respecto al pulso de terahercios de la fuente.

Generalmente se utiliza una caja de purga para minimizar la absorción de la radiación THz por las moléculas de agua en estado gaseoso. Para ello, se suele emplear una fuente de aire seco; sin embargo, también se puede utilizar una fuente de nitrógeno.

Se sabe que el agua presenta numerosas absorciones discretas en la región de terahercios (THz), correspondientes a modos rotacionales de sus moléculas. Por otro lado, el nitrógeno, al ser una molécula diatómica, carece de momento dipolar eléctrico y, por lo tanto, no absorbe radiación THz (para los fines de la espectroscopia de dominio temporal de terahercios, THz-TDS). En consecuencia, se puede llenar una caja de purga con nitrógeno gaseoso para evitar absorciones discretas no deseadas en el rango de frecuencias THz.

Los espejos parabólicos fuera del eje se utilizan comúnmente para colimar y enfocar la radiación de terahercios (THz). La radiación proveniente de una fuente puntual efectiva, como una antena de arseniuro de galio de baja temperatura (LT-GaAs) (región activa de aproximadamente 5  μm), que incide sobre un espejo parabólico fuera del eje, se colima, mientras que la radiación colimada que incide sobre un espejo parabólico se enfoca en un punto (véase el diagrama). De este modo, la radiación de terahercios puede manipularse espacialmente mediante componentes ópticos como espejos con recubrimiento metálico y lentes fabricadas con materiales transparentes a longitudes de onda de THz. Las muestras para espectroscopia se colocan habitualmente en el foco, donde el haz de terahercios está más concentrado.

Cuando un pulso óptico ultracorto (100 femtosegundos o menos) ilumina un semiconductor y su longitud de onda (energía) está por encima de la banda prohibida del material, fotogenera portadores móviles. La mayoría de los portadores se generan cerca de la superficie del material (típicamente dentro de 1 micrómetro) porque los pulsos se absorben exponencialmente con respecto a la profundidad. Esto tiene dos efectos principales. Primero, genera una curvatura de banda que acelera los portadores de diferente signo en direcciones opuestas (normales a la superficie), creando un dipolo. Este efecto se conoce como emisión de campo superficial . Segundo, la presencia de una superficie crea una ruptura de simetría que hace que los portadores se muevan (en promedio) solo hacia el interior del semiconductor. Este fenómeno, combinado con la diferencia de movilidades de electrones y huecos, también produce un dipolo. Esto se conoce como efecto foto-Dember y es particularmente fuerte en semiconductores de alta movilidad como el arseniuro de indio .

Al generar radiación de terahercios mediante un emisor fotoconductor, un pulso ultrarrápido (típicamente de 100 femtosegundos o menos) crea portadores de carga (pares electrón-hueco) en un material semiconductor . Este pulso láser incidente transforma abruptamente la antena de un estado aislante a un estado conductor. Debido a una polarización eléctrica aplicada a través de la antena, se transmite una corriente eléctrica repentina a través de ella. Esta corriente variable dura aproximadamente un picosegundo y, por lo tanto, emite radiación de terahercios, ya que la transformada de Fourier de una señal de duración de picosegundos contiene componentes de terahercios.

Normalmente, los dos electrodos de la antena se graban sobre un sustrato de arseniuro de galio de baja temperatura (LT-GaAs), arseniuro de galio semi-aislante (SI-GaAs) u otro semiconductor (como InP ) . En un esquema común, los electrodos se forman con la forma de una antena dipolo simple , con una separación de unos pocos micrómetros y una tensión de polarización de hasta 40 V entre ellos. El pulso láser ultrarrápido debe tener una longitud de onda lo suficientemente corta como para excitar electrones a través de la banda prohibida del sustrato semiconductor. Este esquema es adecuado para la iluminación con un láser oscilador de Ti:zafiro con energías de fotones de 1,55 eV y energías de pulso de aproximadamente 10 nJ. Para su uso con láseres de Ti:zafiro amplificados con energías de pulso de aproximadamente 1 mJ, la separación entre electrodos puede aumentarse a varios centímetros con una tensión de polarización de hasta 200 kV.

Los avances más recientes hacia sistemas THz-TDS compactos y rentables se basan en fuentes láser de fibra de modo bloqueado que emiten a una longitud de onda central de 1550 nm. Por lo tanto, los emisores fotoconductores deben basarse en materiales semiconductores con brechas de banda más pequeñas, de aproximadamente 0,74 eV , como el arseniuro de indio y galio dopado con Fe ^{[ 4 ]} o las heteroestructuras de arseniuro de indio y galio / arseniuro de indio y aluminio ^{[ 5 ]} . 

La corta duración de los pulsos de THz generados (típicamente ~2 ps ) se debe principalmente al rápido aumento de la corriente fotoinducida en los materiales semiconductores y semiconductores de corta vida útil de portadores (por ejemplo, LT-GaAs). Esta corriente puede persistir solo durante unos cientos de femtosegundos a varios nanosegundos, dependiendo del material del sustrato. Este no es el único medio de generación, pero actualmente ( a partir de 2008)) el más común.

Los pulsos producidos por este método tienen niveles de potencia promedio del orden de varias decenas de microvatios . ^{[ 5 ]} La potencia pico durante los pulsos puede ser varios órdenes de magnitud mayor debido al bajo ciclo de trabajo , generalmente >1%, que depende de la frecuencia de repetición de la fuente láser . El ancho de banda máximo del pulso de THz resultante está limitado principalmente por la duración del pulso láser, mientras que la posición de frecuencia del máximo del espectro de Fourier está determinada por la vida útil de los portadores del semiconductor. ^{[ 6 ]}

En la rectificación óptica , un pulso láser ultracorto de alta intensidad atraviesa un material cristalino transparente que emite un pulso de terahercios sin necesidad de aplicar voltaje alguno. Se trata de un proceso óptico no lineal , en el que un material cristalino adecuado se polariza eléctricamente con rapidez a altas intensidades ópticas. Esta polarización eléctrica variable emite radiación de terahercios.

Debido a las altas intensidades de láser necesarias, esta técnica se utiliza principalmente con láseres de titanio-zafiro amplificados . Los materiales cristalinos típicos son el telururo de zinc , el fosfuro de galio y el seleniuro de galio.

El ancho de banda de los pulsos generados por rectificación óptica está limitado por la duración del pulso láser, la absorción de terahercios en el material del cristal, el grosor del cristal y la diferencia entre la velocidad de propagación del pulso láser y la del pulso de terahercios dentro del cristal. Generalmente, un cristal más grueso genera intensidades más altas, pero frecuencias de terahercios más bajas. Con esta técnica, es posible aumentar las frecuencias generadas a 40 THz (7,5  μm) o más, aunque 2 THz (150  μm) es más común, ya que requiere configuraciones ópticas menos complejas.

El problema original responsable de la " brecha de terahercios " (el término coloquial para la falta de técnicas en el rango de frecuencias THz) fue que la electrónica rutinariamente tiene un funcionamiento limitado a frecuencias iguales o superiores a 10¹² ^Hz  . Dos parámetros experimentales hacen posible dicha medición en THz-TDS con antenas LT-GaAs: los pulsos de "compuerta" de femtosegundos y los tiempos de vida < 1 ps de los portadores de carga en la antena (que determinan efectivamente el tiempo "encendido" de la antena). Cuando todas las longitudes de trayectoria óptica tienen longitud fija, se produce una corriente continua efectiva en la electrónica de detección debido a su baja resolución temporal. La resolución temporal de picosegundos no proviene de técnicas electrónicas u ópticas rápidas, sino de la capacidad de ajustar las longitudes de trayectoria óptica en la escala de micrómetros (μm). Para medir un segmento particular de un pulso THz, las longitudes de trayectoria óptica son fijas y la corriente (continua efectiva) en el detector debido al segmento particular del campo eléctrico del pulso THz.

Las mediciones THz-TDS no suelen ser mediciones de una sola toma.

La detección fotoconductiva es similar a la generación fotoconductiva. En este caso, la tensión aplicada a los terminales de la antena se genera mediante el campo eléctrico del pulso de terahercios enfocado sobre ella, en lugar de mediante una fuente externa. El campo eléctrico de terahercios induce una corriente en los terminales de la antena, que generalmente se amplifica con un amplificador de banda estrecha. Esta corriente amplificada es el parámetro medido que corresponde a la intensidad del campo de terahercios. Cabe destacar que los portadores de carga en el sustrato semiconductor tienen una vida útil extremadamente corta. Por lo tanto, la intensidad del campo eléctrico de terahercios solo se muestrea durante un intervalo muy estrecho ( femtosegundos ) de la forma de onda completa del campo eléctrico.

Los materiales utilizados para la generación de radiación de terahercios mediante rectificación óptica también pueden emplearse para su detección mediante el efecto Pockels , en el que ciertos materiales cristalinos se vuelven birrefringentes en presencia de un campo eléctrico. La birrefringencia causada por el campo eléctrico de un pulso de terahercios produce un cambio en la polarización óptica del pulso de detección, proporcional a la intensidad del campo eléctrico de terahercios. Este cambio de polarización se mide mediante polarizadores y fotodiodos .

Al igual que en la generación, el ancho de banda de la detección depende de la duración del pulso láser, las propiedades del material y el grosor del cristal.

La sensibilidad de la detección THz-TDS mediante muestreo electroóptico puede mejorarse más allá del límite clásico de ruido de disparo mediante el uso de luz comprimida generada por un amplificador paramétrico óptico . ^{[ 7 ]}

La espectroscopia de dominio temporal de terahercios (THz-TDS) a baja temperatura se realiza habitualmente a temperaturas criogénicas que van desde la temperatura del nitrógeno líquido (~77 K) hasta regímenes de helio líquido (<10 K). El enfriamiento de la muestra permite el acceso directo a excitaciones de baja energía, como fonones, dinámica de portadores de carga y modos colectivos, cuyas escalas de energía características se encuentran en el rango de frecuencias de terahercios. Las implementaciones experimentales suelen integrar sistemas THz-TDS de banda ancha con criostatos ópticos o conjuntos de dedos fríos equipados con ventanas transparentes a terahercios, lo que permite mediciones de transmisión o reflexión manteniendo el aislamiento térmico. Estas configuraciones permiten la extracción de índices de refracción complejos o conductividades dependientes de la temperatura con alta resolución espectral. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

La espectroscopia de dominio temporal de terahercios (THz-TDS) dependiente de la temperatura se ha aplicado a una amplia gama de materiales, incluyendo estudios de superconductores y sistemas de electrones correlacionados. En dichos experimentos, los cambios en el índice de refracción, la absorción o la conductividad de terahercios pueden monitorizarse continuamente en función de la temperatura. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

La espectroscopia de dominio temporal de terahercios (THz-TDS) a alta presión extiende la aplicación de esta técnica a la materia comprimida, permitiendo investigar los cambios inducidos por la presión en la estructura reticular, la estructura de bandas electrónicas y las excitaciones de baja energía. Estas mediciones se realizan habitualmente mediante celdas de yunque de diamante (DAC), que permiten la compresión estática de las muestras manteniendo una transparencia suficiente para la propagación de terahercios. El pequeño volumen de muestra y el acceso óptico limitado que imponen las geometrías de las DAC presentan importantes desafíos experimentales; en consecuencia, los procedimientos estándar de extracción de parámetros utilizados a presión ambiente generalmente requieren modificaciones para tener en cuenta las múltiples interfaces, los efectos de difracción y las contribuciones de la celda de presión a la señal medida. Los requisitos cruciales son la elección del medio de presión, que debe introducir una interacción mínima con el pulso de THz, así como excelentes condiciones de enfoque de THz sin astigmatismo, ya que la DAC actúa como una apertura estrecha para el haz de THz. Basándose en consideraciones geométricas de la propagación del haz de terahercios a través de la apertura de la junta, se ha estimado un límite superior de presión de aproximadamente 40 GPa para la THz-TDS, siempre que se empleen aperturas de junta suficientemente pequeñas manteniendo la transmisión de terahercios. Esto establece un límite de presión práctico para THz-TDS. ^{[ 11 ]}

Se ha demostrado la integración de THz-TDS de banda ancha con una celda de yunque de diamante y refrigeración criogénica, alcanzando presiones de varios gigapascales mediante mediciones experimentales utilizando configuraciones específicas de DAC. En estos experimentos, se emplearon métodos de análisis adaptados para extraer las propiedades intrínsecas de la muestra a partir de las señales de terahercios modificadas por la celda de presión. ^{[ 11 ]}