La absorción de luz en cristales semiconductores sin simetría de inversión puede generar corrientes eléctricas. Los investigadores del Instituto Max Born ahora han generado corrientes dirigidas a frecuencias de terahercios (THz), mucho más alto que las frecuencias de reloj de la electrónica actual. Muestran que la transferencia de carga electrónica entre átomos vecinos en la red cristalina representa el mecanismo subyacente.

Las células solares convierten la energía de la luz en una corriente eléctrica continua (CC) que se alimenta a una red de suministro eléctrico. Los pasos clave son la separación de cargas después de la absorción de luz y su transporte a los contactos del dispositivo. Las corrientes eléctricas son transportadas por portadores de carga negativa (electrones) y positiva (huecos) que realizan los llamados movimientos intrabanda en varias bandas electrónicas del semiconductor. Desde el punto de vista de la física, Las siguientes preguntas son esenciales:¿cuál es la unidad más pequeña en un cristal que puede proporcionar una corriente continua (CC) fotoinducida? ¿Hasta qué frecuencia máxima se pueden generar tales corrientes? ¿Qué mecanismos a escala atómica son responsables de dicho transporte de carga?

La unidad más pequeña de un cristal es la llamada celda unitaria, una disposición bien definida de átomos determinada por enlaces químicos. La celda unitaria del prototipo de semiconductor GaAs se muestra en la Figura 1a y representa una disposición de átomos de Ga y As sin un centro de inversión. En el estado fundamental del cristal representado por la banda de valencia electrónica, los electrones de valencia se concentran en los enlaces entre los átomos de Ga y As (Figura 1b). Tras la absorción de luz visible o infrarroja cercana, un electrón es promovido desde la banda de valencia a la siguiente banda superior, la banda de conducción. En el nuevo estado la carga del electrón se desplaza hacia los átomos de Ga (Figura 1b). Esta transferencia de carga corresponde a una corriente eléctrica local, la corriente interbanda o de desplazamiento, que es fundamentalmente diferente de los movimientos de electrones en las corrientes intrabanda. Hasta hace poco, Ha habido un debate controvertido entre los teóricos sobre si las corrientes fotoinducidas observadas experimentalmente se deben a movimientos intrabanda o interbanda.

Investigadores del Instituto Max Born de Berlín, Alemania, han investigado las corrientes de cambio inducidas ópticamente en el semiconductor arseniuro de galio (GaAs) por primera vez en escalas de tiempo ultrarrápidas hasta 50 femtosegundos (1 fs =10 ^-15 segundos). Informan sus resultados en el número actual de la revista. Cartas de revisión física 121, 266602 (2018). Usando ultracorto, pulsos de luz intensa desde el infrarrojo cercano (λ =900 nm) al visible (λ =650 nm, color naranja), generaron corrientes de cambio en GaAs que oscilan y, por lo tanto, emiten radiación de terahercios con un ancho de banda de hasta 20 THz (Figura 2). Las propiedades de estas corrientes y los movimientos de electrones subyacentes se reflejan completamente en las ondas THz emitidas que se detectan en amplitud y fase. La radiación THz muestra que las ráfagas de corriente ultracorta de luz rectificada contienen frecuencias que son 5000 veces más altas que la frecuencia de reloj más alta de la tecnología informática moderna.

Las propiedades de las corrientes de desplazamiento observadas excluyen definitivamente un movimiento intrabanda de electrones o huecos. A diferencia de, Los cálculos del modelo basados ​​en la transferencia interbanda de electrones en una estructura de banda de pseudopotencial reproducen los resultados experimentales y muestran que una transferencia de electrones en el espacio real a lo largo de la distancia del orden de una longitud de enlace representa el mecanismo clave. Este proceso es operativo dentro de cada celda unitaria del cristal, es decir., en una escala de longitud subnanométrica, y provoca la rectificación del campo óptico. El efecto se puede explotar a frecuencias aún más altas, ofreciendo nuevas e interesantes aplicaciones en electrónica de alta frecuencia.