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太赫兹单光子探测
太赫兹单光子探测 将一个尺寸相对较大的半导体量子点(QD )置于强磁场之中,使它通过隧道 结与电子库(electron reservoirs)发生弱耦合(见图3-15a和图3-15b )。在这个强磁场 中,最低的朗道能级LL1会被充满(具有两个方向相反的自旋极化),而第一朗道 激发能级LL2 只是被少量的电子所占据。当处于费米能级时,LL1和LL2能形成两 层可压缩的金属区域,它们分别对应于QD 的“外环”和“内核” (见图3-15a ),并且在 它们之间有一层不可压缩的绝缘带将它们隔离开来,而它们之间的遂穿概率也主要 是由这层绝缘带决定。当外环的电化学势μ 与电子库势能相等时,电子就会在电子 1 库和外环之间发生遂穿效应,由此可导致外环的电导共振(conductance resonance )。尽管内核与电子遂穿没有直接的关系,但是由于其本身所带的电荷会 以静电耦合的方式耦合到外环,所以它对电子的遂穿有很强烈的影响。 当一个THz光子以回旋共振的方式被量子点吸收后(见图3-15b ),在高空能级 LL2 (低满能级LL1 )会产生一个电子(空穴),与此同时它会迅速得把多余的能量 释放给晶格,下降(上升)到内核(外环)。则此时内核带一个负电荷-e (电子电 荷),由此外环的电化学势降低了:-Δμ =-eC /(C C +C C +C C ) ,其中C ,C 表 1 2 2 1 12 1 2 12 i ij 示上文所说的两区域之间的电容(见图3-15a )。而此内部极化会导致电导共振峰值 的位置移动-ΔV ∝-∆μ (见图3-15d )。另外由于遂穿效应的影响,内核上的受激电 g 1 子的寿命会极长,由此使探测到THz光子成为了现实。这种方法的时间分辨率可达 4 毫秒(ms )量级,其灵敏度也比现有的探测技术高10 之多。 图3-15 强磁场中的THz单光子量子点(QD )晶体管探测器 见图3-15,(a )为量子点示意图。灰色区域代表金属内核和最低的两个朗道能 级(LLs )所形成的金属外环区域。(b )量子点中朗道能级的能谱图。当量子点吸 收一个THz光子,在它内部会产生一个电子-空穴对。受激电子(空穴)会迅速降 至(升至)QD 的内核(外环),从而使QD发生极化。(c )QD 的扫描电子显微照片 2 (700 ×700nm )。这个QD是由受横向限制的2DEG和加有负向偏置的金属栅极所 2 -1 - 组成的,并且在它之中含有350个电子。2DEG 的迁移率和密度分别为μ≈80m V S 1 ,n ≈2.4 ×1015m-2 。金属栅极和金属引线长有100μm,它们相当于一个偶极天 s 线,将THz耦合到QD之中。磁场可由超导螺线管提供,并且要求磁场方向垂至于 QD所处的平面。(d )库伦电导与控制栅极电压V (触发电压)函数关系图。当单 g 电子晶体管工作时,并且外环的化学势μ 随着电子库势能呈线性增加时,会发生电 1 导共振现象。当QD 中的电子-空穴对受激后,电导峰值图(实线)会发生改变 (虚线),由此可导致QD极化。
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