Espectroscopia de terahercios

La espectroscopia de terahercios se refiere a las técnicas espectroscópicas que analizan materiales mediante radiación electromagnética en la región de terahercios (THz), típicamente de ~0,1 a 10 THz (3 mm–30 μm). La espectroscopia de THz permite acceder a excitaciones de baja energía, como transiciones rotacionales y vibracionales en moléculas, fonones y modos colectivos en sólidos, transporte de carga en semiconductores y superconductores, e interacciones intermoleculares en líquidos y biomateriales. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Se utilizan dos enfoques principales: la espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo (THz-TDS), que emplea radiación THz pulsada y muestreo de forma de onda, y la espectroscopia de terahercios en el dominio de la frecuencia (THz-FDS), que utiliza radiación de onda continua y barre la frecuencia. ^{[ 3 ] [ 4 ]} La THz-TDS proporciona acceso de banda ancha a información de amplitud y fase y se utiliza ampliamente para la caracterización de materiales, imágenes y evaluación no destructiva. ^{[ 5 ]} La THz-FDS ofrece una resolución espectral extremadamente alta, a menudo inferior a 1 MHz, lo que permite la espectroscopia en fase gaseosa limitada por Doppler, la espectroscopia rotacional y la metrología de precisión. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La espectroscopia de THz tiene aplicaciones en física de la materia condensada, química, detección atmosférica y ambiental, control de seguridad, productos farmacéuticos, telecomunicaciones, análisis del patrimonio cultural, imágenes biomédicas y control de calidad industrial. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Los sistemas de THz pueden operar en geometrías de espacio libre o de guía de onda y pueden emplear emisores y detectores fotoconductores, generación óptica no lineal, fotomezcla, fuentes electrónicas o láseres de cascada cuántica. ^{[ 10 ]}

Existe una gran variedad de técnicas para generar radiación THz y detectar campos THz. Se puede, por ejemplo, utilizar una antena , un láser de cascada cuántica , un láser de electrones libres o rectificación óptica para producir fuentes THz bien definidas. El campo THz resultante se puede caracterizar mediante su campo eléctrico E _THz ( t ). Los experimentos actuales ya pueden generar E _THz ( t ) con un valor máximo en el rango de MV/cm (megavoltios por centímetro). ^{[ 11 ]} Para estimar la intensidad de estos campos, se puede calcular el nivel de cambio de energía que inducen en un electrón a lo largo de una distancia microscópica de un nanómetro (nm), es decir, L = 1  nm. Simplemente se multiplica el valor máximo de E _THz ( t ) por la carga elemental e y L para obtener e E _THz ( t ) L = 100 meV. En otras palabras, estos campos tienen un efecto importante en los sistemas electrónicos porque la mera intensidad del campo E _THz ( t ) puede inducir transiciones electrónicas a escalas microscópicas . Una posibilidad es utilizar estos campos THz para estudiar las oscilaciones de Bloch ^{[ 12 ] [ 13 ]} donde los electrones semiconductores se mueven a través de la zona de Brillouin , solo para regresar a donde comenzaron, dando lugar a las oscilaciones de Bloch.

Las fuentes de THz también pueden ser extremadamente cortas, ^{[ 14 ]} hasta un solo ciclo de oscilación del campo de THz. Para un THz, esto significa una duración en el rango de un picosegundo (ps). En consecuencia, se pueden usar campos de THz para monitorear y controlar procesos ultrarrápidos en semiconductores o para producir conmutación ultrarrápida en componentes semiconductores. Obviamente, la combinación de duración ultrarrápida y un pico E _THz ( t ) fuerte ofrece nuevas y vastas posibilidades para estudios sistemáticos en semiconductores.

Además de la intensidad y duración de E _THz ( t ), la energía fotónica del campo THz juega un papel vital en las investigaciones de semiconductores porque puede hacerse resonante con varias transiciones de muchos cuerpos interesantes. Por ejemplo, los electrones en la banda de conducción y los huecos , es decir, las vacantes electrónicas, en la banda de valencia se atraen entre sí a través de la interacción de Coulomb . En condiciones adecuadas, los electrones y los huecos pueden unirse a excitones que son estados de la materia similares al hidrógeno. Al mismo tiempo, la energía de enlace del excitón es de unos pocos a cientos de meV que puede coincidir energéticamente con un fotón THz. Por lo tanto, la presencia de excitones puede detectarse de forma única ^{[ 15 ] [ 16 ]} basándose en el espectro de absorción de un campo THz débil. ^{[ 17 ] [ 18 ]} También estados simples, como el plasma y el plasma de electrones y huecos correlacionados ^{[ 19 ]} pueden ser monitoreados o modificados por campos THz.

En espectroscopia óptica, los detectores suelen medir la intensidad del campo de luz en lugar del campo eléctrico, ya que no existen detectores capaces de medir directamente los campos electromagnéticos en el rango óptico. Sin embargo, existen diversas técnicas, como antenas y muestreo electroóptico , que permiten medir directamente la evolución temporal de E _THz ( t ). Por ejemplo, se puede propagar un pulso de THz a través de una muestra semiconductora y medir los campos transmitido y reflejado en función del tiempo. De esta forma, se obtiene información sobre la dinámica de excitación del semiconductor completamente en el dominio del tiempo, lo cual constituye el principio general de la espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo .

Mediante el uso de pulsos cortos de THz, ^{[ 14 ]} se ha estudiado una gran variedad de fenómenos físicos. Para semiconductores intrínsecos no excitados, se puede determinar la permitividad compleja o el coeficiente de absorción de THz y el índice de refracción, respectivamente. ^{[ 21 ]} La frecuencia de los fonones ópticos transversales , a los que pueden acoplarse los fotones de THz, se encuentra para la mayoría de los semiconductores en varios THz. ^{[ 22 ]} Los portadores libres en semiconductores dopados o semiconductores excitados ópticamente dan lugar a una absorción considerable de fotones de THz. ^{[ 23 ]} Dado que los pulsos de THz pasan a través de materiales no metálicos, pueden utilizarse para la inspección y transmisión de artículos empaquetados.

La espectroscopia de terahercios en el dominio de la frecuencia (THz-FDS) utiliza radiación de terahercios de onda continua cuya frecuencia se barre en un rango seleccionado para medir la amplitud y la fase de la respuesta de un material. A diferencia de la espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo (THz-TDS), que mide pulsos de banda ancha y analiza su forma de onda temporal, la THz-FDS opera directamente en el dominio de la frecuencia. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Los sistemas THz-FDS suelen basarse en la fotomezcla , donde dos láseres infrarrojos cercanos de ancho de línea estrecho y con una diferencia de frecuencia muy pequeña iluminan un dispositivo fotoconductor ultrarrápido (generalmente estructuras de GaAs o InGaAs cultivadas a baja temperatura). La frecuencia de batido óptica genera una señal de terahercios de onda continua. Un segundo fotomezclador iluminado por los mismos láseres realiza la detección coherente , preservando tanto la amplitud como la fase del campo de terahercios. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Una ventaja clave de THz-FDS es su altísima resolución espectral, a menudo superior a 1 MHz, lo que le permite resolver transiciones en fase gaseosa limitadas por Doppler y otras características espectrales muy estrechas. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Esto hace que THz-FDS sea particularmente potente para la espectroscopia rotacional de alta precisión, los estudios de fonones en sólidos y la medición de resonancias agudas en semiconductores, superconductores, metamateriales y estructuras de película delgada. Los sistemas THz-FDS también alcanzan un alto rango dinámico y proporcionan mediciones cuantitativas de espectros de absorción e índice de refracción. ^{[ 30 ]}

Aunque THz-FDS adquiere puntos de frecuencia individuales mientras que THz-TDS muestrea puntos de retardo de tiempo, cuando se normalizan para ancho de banda, resolución espectral y relación señal-ruido, ambas técnicas requieren un tiempo de medición total comparable. ^{[ 31 ] [ 32 ]} La detección coherente en THz-FDS puede introducir franjas de interferencia debido al desequilibrio de la trayectoria óptica, pero técnicas como la modulación de fase óptica y la detección de segundo armónico pueden eliminar estos artefactos y recuperar espectros limpios. ^{[ 33 ]}

Los campos de THz pueden aplicarse para acelerar electrones fuera de su equilibrio. Si esto se realiza con la suficiente rapidez, se pueden medir procesos elementales, como la velocidad a la que se produce el apantallamiento de la interacción de Coulomb. Esto se exploró experimentalmente en la Ref. ^{[ 34 ]} , donde se demostró que el apantallamiento se completa en decenas de femtosegundos en semiconductores. Estos hallazgos son muy importantes para comprender el comportamiento del plasma electrónico en sólidos .

La interacción de Coulomb también puede emparejar electrones y huecos en excitones, como se mencionó anteriormente. Debido a su analogía con el átomo de hidrógeno , los excitones tienen estados ligados que pueden identificarse de forma única mediante los números cuánticos habituales 1s , 2s , 2p , etc. En particular, la transición de 1s a 2p está permitida por el dipolo y puede generarse directamente mediante E _THz ( t ) si la energía del fotón coincide con la energía de transición. En sistemas de tipo arseniuro de galio , esta energía de transición es aproximadamente 4 meV _, lo que corresponde a fotones de 1 THz. En resonancia, el dipolo _d1s , _{2p define} la energía de Rabi ΩRabi ₌ d1s , _{2p E} THz ₍ t ) que determina la escala de tiempo en la que se produce la _{transición de} 1s a 2p .

Por ejemplo, se puede excitar la transición excitónica con un pulso óptico adicional sincronizado con el pulso de THz. Esta técnica se denomina espectroscopia transitoria de THz. ^{[ 14 ]} Mediante esta técnica se puede seguir la dinámica de formación de excitones ^{[ 17 ] [ 18 ]} u observar la ganancia de THz resultante de transiciones intraexcitónicas. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Dado que un pulso de THz puede ser intenso y corto, por ejemplo, de un solo ciclo, es experimentalmente posible realizar situaciones en las que la duración del pulso, la escala de tiempo relacionada con Rabi, así como la energía del fotón de THz ħω, son degeneradas. En esta situación, se entra en el ámbito de la óptica no lineal extrema ^{[ 37 ]} , donde las aproximaciones habituales, como la aproximación de onda rotatoria (abreviada como RWA) o las condiciones para la transferencia completa de estado, dejan de ser válidas. Como resultado, las oscilaciones de Rabi se distorsionan fuertemente por las contribuciones no RWA, los procesos de absorción o emisión multifotónica y el efecto dinámico de Franz-Keldysh , como se mide en las Refs. ^{[ 38 ] [ 39 ].}

Mediante el uso de un láser de electrones libres, se pueden generar pulsos de THz más largos, más adecuados para detectar directamente las oscilaciones de Rabi. Esta técnica podría demostrar experimentalmente las oscilaciones de Rabi, o incluso el desdoblamiento de Autler-Townes relacionado. ^{[ 40 ]} El desdoblamiento de Rabi también se ha medido con un pulso corto de THz ^{[ 41 ]} y también se ha detectado el inicio de la ionización multifotónica de THz, ^{[ 42 ]} al intensificar los campos de THz. Recientemente, también se ha demostrado que la interacción de Coulomb provoca que las transiciones intraexcitónicas nominalmente prohibidas por dipolo se vuelvan parcialmente permitidas. ^{[ 43 ]}

Las transiciones de terahercios en sólidos pueden abordarse sistemáticamente generalizando las ecuaciones de Bloch para semiconductores ^{[ 19 ]} y la dinámica de correlación de muchos cuerpos asociada. A este nivel, se observa que el campo de THz es absorbido directamente por correlaciones de dos partículas que modifican la cinética cuántica de las distribuciones de electrones y huecos. Por lo tanto, un análisis sistemático de THz debe incluir la cinética cuántica de las correlaciones de muchos cuerpos, que puede tratarse sistemáticamente, por ejemplo, con el enfoque de expansión de clústeres . A este nivel, se puede explicar y predecir una amplia gama de efectos con la misma teoría, desde la respuesta tipo Drude ^{[ 23 ]} del plasma hasta los efectos no lineales extremos de los excitones.

• Enfoque de expansión de clústeres : expansión a alta temperatura en mecánica estadística. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Fórmula de Elliott : fórmula para la emisión y absorción de sólidos. 
• Ecuaciones de Bloch para semiconductores : describen la respuesta óptica de los semiconductores. 
• Evaluación no destructiva en el rango de terahercios : obtención de imágenes y evaluación mediante el dominio de terahercios de la radiación electromagnética. 
• Espectroscopia láser ultrarrápida : espectroscopia con láseres de pulsos muy cortos.