用太赫茲波進(jìn)行光學(xué)計算

用太赫茲波進(jìn)行光學(xué)計算AlexeyShuvaev,AndreiPimenov,FlorianAigner,GeorgyAstakhov,MathiasMühlbauer,ChristophBrüne,HartmutBuhmannandLaurensW.Molenkamp通過導(dǎo)通光學(xué)晶體改變柵極電壓可以改變透過拓?fù)浣^緣體薄膜的THz光的偏振方向。

今天的計算機(jī)，信息是通過電荷處理的。基于固有的物理限制，通過電子晶體管的減少來提高計算機(jī)處理速度面臨巨大的挑戰(zhàn)。突破這些限制的一個途經(jīng)是用光來替代電流。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。但是，偏振光只在一個方向上振動。在一些材料上，應(yīng)用磁場可以改變透過光的偏振方向。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，兩年前通過在磁場下用THz光照射水銀碲化物薄膜我們觀測到了巨大的法拉第旋轉(zhuǎn)：見圖1.。1波長為毫米量級的的THz光在等同于2代以后的計算機(jī)的時鐘速度頻率產(chǎn)生共振。這項技術(shù)不僅限于計算：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)場安全檢測以及生物醫(yī)學(xué)傳感。然而，通過小型化裝置來改變光的偏振方向很困難。圖1.在外加磁場下，透過碲化銀（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)備有兩個問題。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，這種方法需要一個中等的幾百mT的外加磁場的快速調(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。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，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。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力學(xué)，如巨大的法拉第效應(yīng)。8為了在恒定磁場下獲得法拉第效應(yīng)，優(yōu)選一個能夠提供恒定磁場的永磁體(<1T),我們制作一個透明柵極的設(shè)備：見圖2(a)。在這些設(shè)備中，HgTe薄膜放置于基片上。一個半透明的RuO2柵極通過Si3N4絕緣體與HgTe活化層隔離。當(dāng)加了偏置柵極電壓時，這種結(jié)構(gòu)允許光的大部分透過樣品。在電極上加一個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HgTe薄膜放置在CdTe基片上，用Ru02半導(dǎo)體制作的柵極通過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樣品。（b）規(guī)一化的探測信號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。a.u.:任意單位當(dāng)光通過偏振器時，通過與否取決于它的偏振方向。在我們設(shè)備中，光束的旋轉(zhuǎn)透過(因而采用了電壓)決定了光信號是否傳播，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來改變光的偏振態(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。利用磁場下透過HgTe基片上薄膜的THz輻射光，我們實(shí)現(xiàn)了對法拉第旋轉(zhuǎn)和橢圓度的控制。這項技術(shù)在未來的光學(xué)晶體管可能被實(shí)際應(yīng)用。我們打算通過改變隔離層厚度和采用更高質(zhì)量的HgTe活化層來進(jìn)一步提高設(shè)備的調(diào)制輻度（目前大約幾度/伏）。AlexeyShuvaev,AndreiPimenov,FlorianAigner

ViennaUniversityofTechnology

Vienna,AustriaGeorgyAstakhov,MathiasMühlbauer,ChristophBrüne,HartmutBuhmann,LaurensW.Molenkamp

UniversityofWürzburg

Würzburg,Germany：

1.A.M.Shuvaev,G.V.Astakhov,A.Pimenov,C.Brüne,H.Buhmann,L.W.Molenkamp,Giantmagneto-opticalFaradayeffectinHgTethinfilmsintheterahertzspectralrange,Phys.Rev.Lett.106,p.107404,2011.doi:10.1103/PhysRevLett.106.107404

2.T.Arikawa,X.Wang,A.A.Belyanin,J.Kono,GianttunableFaradayeffectinasemiconductormagneto-plasmaforbroadbandterahertzpolarizationoptics,Opt.Express20(17),p.19484-19492,2012.doi:10.1364/OE.20.019484

3.M.Z.Hasan,C.L.Kane,Colloquium:topologicalinsulators,Rev.Mod.Phys.82,p.3045-3067,2010.doi:10.1103/RevModPhys.82.3045

4.W.-K.Tse,A.HMacdonald,Giantmagneto-opticalKerreffectanduniversalFaradayeffect,Phys.Rev.Lett.105(5),p.057401,2010.doi:10.1103/PhysRevLett.105.057401

5.W.-K.Tse,A.H.MacDonald,Magneto-opticalFaradayandKerreffectsintopologicalinsulatorfilmsandinotherlayeredquantizedHallsystems,Phys.Rev.B84(20),p.205327,2011.doi:10.1103/PhysRevB.84.205327

6.J.Maciejko,X.L.Qi,H.D.Drew,S.-C.Zhang,Topologicalquantizationinunitsofthefinestructureconstant,Phys.Rev.Lett.105(16),p.166803,2010.doi:10.1103/PhysRevLett.105.166803

7.G.Tkachov,E.M.Hankiewicz,Anomalousgalvanomagnetism,cyclotronresonance,andmicrowave,Phys.Rev.B84(3),p.035405,2011.doi:10.1103/PhysRevB.84.035405

8.A.M.Shuvaev,G.V.Astakhov,C.Brüne,H.Buhmann,L.W.Molenkamp,A.Pimenov,Terahertzmagneto-opticalspectroscopyinHgTethinfilms,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,Roomtempera