До теорії міжзонного двофотонного поглинання світла в напівпровідниках: врахування змішання станів провідності та валентних станів, ефект Рабі
Анотація
Ми представляємо теоретичне дослідження міжзонного двофотонного (двоквантового) поглинання поляризованого світла в напівпровідниках з кубічною та тетраедричною симетрією. Наш аналіз здійснюється в рамках багатозонного наближення з урахуванням змішування валентних станів у станах зони провідності, а також когерентних насичувальних (ефект Рабі) процесів. Ми використовуємо спрощені параболічні закони дисперсії для важких та легких дірок, а також для зони провідності, і порівнюємо дві поширені температурно-залежні формули ширини забороненої зони (Варшні та Песслера), щоб показати, як вони змінюють спектрально-температурну залежність загального коефіцієнта двофотонного поглинання. Зокрема, показано, що міжзонне двофотонне поглинання спочатку зростає з частотою фотона, досягає максимуму, а потім зменшується при фіксованій температурі. Встановлено, що амплітуда поглинання для лінійно поляризованого світла вища, ніж для кругової поляризації, особливо при низьких температурах. Наші розрахунки показують, що змішування валентних станів суттєво змінює міжзонні переходи, у той час як ефект Рабі зменшує поглинання в режимі високої інтенсивності, особливо при підвищених температурах. Отримані результати можуть бути корисними при проєктуванні оптоелектронних та фотонних пристроїв, що базуються на багатофотонній взаємодії в вузькозонних напівпровідниках.
Завантаження
Посилання
S. Krishnamurthy, Z.G. Yu, L.P. Gonzalez, and S. Guha, “Temperature and wavelength-dependent two-photon and free-carrier absorption in GaAs, InP, GaInAs, and InAsP,” J. Appl. Phys. 109, 033102 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3533775
C.M. Cirloganu, L.A. Padilha, D.A. Fishman, S. Webster, D.J. Hagan, and E.W. Van Stryland, “Extremely nondegenerate two-photon absorption in direct-gap semiconductors [Invited],” Opt. Express, 19, 22951-22960 (2011). https://doi.org/10.1364/OE.19.022951
C.M. Cirloganu, D.A. Fishman, S. Webster, L.A. Padilha, M. Monroe, D.J. Hagan, and E.W. Van Stryland, “Extremely Nondegenerate Two-Photon Detection of Sub-Bandgap Pulses,” in: Proceedings of the International Quantum Electronics Conference and Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2011, (Optica Publishing Group, 2011), paper I1004.
R.Ya. Rasulov, V.R. Rasulov, and I. Eshboltaev, “On the theory of the ballistic linear photovoltaic effect in semiconductors of tetrahedral symmetry under two-photon absorption,” Russ. Phys. J. 59, 446‑455 (2016). https://doi.org/10.1007/s11182-016-0793-9
S.B. Arifzhanov, A.M. Danishevsky, E.L. Ivchenko, S.F. Kochegarov, and V.K. Subashiev, “Role of the various types of transitions in three-photon absorption in InAs,” Sov. Phys. JETP, 47, 88 (1978). http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_047_01_0088.pdf
R.Ya. Rasulov, Yu.E. Salenko, T. Éski, and A. Tukhtamatov, “Linear circular dichroism in nonlinear absorption of light in a quantum well,” Phys. Solid State 40, 1225‑1227 (1998). https://doi.org/10.1134/1.1130526
S.B. Arifzhanov, A.M. Danishevsky, and E.L. Ivchenko, Sov. Phys. JETP, 74, 172 (1978). http://www.jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_047_01_0088.pdf
S. Benis, C.M. Cirloganu, N. Cox, T. Ensley, H. Hu, G. Nootz, P.D. Olszak, et al., “Three-photon absorption spectra and bandgap scaling in direct-gap semiconductors,” Optica, 7, 888-899 (2020). https://doi.org/10.1364/OPTICA.396056
D.C. Hutchings, and E.W. Van Stryland, “Nondegenerate two-photon absorption in zinc blende semiconductors,” J. Opt. Soc. Am. B, 9, 2065 (1992). https://doi.org/10.1364/JOSAB.9.002065
R.Ya. Rasulov, D.Sc. Thesis, “Polarization optical photovoltaic effects in semiconductors with linear and nonlinear absorption of light,” Ioffe Institute, St. Petersburg, 1993. (in Russian)
A. Hayat, P. Ginzburg, and M. Orenstein, “Observation of two-photon emission from semiconductors,” Nat. Photonics, 2, 238 241 (2008). https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.28
R.Ya. Rasulov, V.R. Rasulov, B.B. Akhmedov, I.A. Muminov, and K.K. Urinova, “Dimensional quantization in InSb and GaAs in three‑zone model,” J. Phys. Conf. Ser. 2697, 012005 (2024). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2697/1/012005
R.Ya. Rasulov, V.R. Rasulov, M.X. Nasirov, B.B. Akhmedov, and K.K. Urinova, “To the theory of multi‑photon interband linear‑circular dichroism in monoatomic layers of dichalcogenide metals,” AIP Conf. Proc. 3268, 030001 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0257255
P.D. Olszak, C.M. Cirloganu, S. Webster, L.A. Padilha, S. Guha, L.P. Gonzalez, S. Krishnamurthy, et al., “Spectral and temperature dependence of two-photon and free-carrier absorption in InSb,” Phys. Rev. B, 82, 235207 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.235207
B.B. Akhmedov, “Nonlinear polarization optical phenomena and dimensional quantization in narrow-band crystals,” Ph.D. Thesis, Fergana State University, Fergana, Republic of Uzbekistan, 2020. (in Russian)
I.M. Eshboltaev, “Theoretical studies of multiphoton absorption and shear photogalvanic effect in three- and two- dimensional electron systems,” Ph.D. Thesis, Fergana State University, Fergana, Republic of Uzbekistan, 2018. (in Russian)
R.R. Sultonov, “Nonlinear absorption of light, two-photon ballistic current and size quantization in piezoelectrics,” D.Sc. Thesis, Fergana State University, Fergana, Republic of Uzbekistan, 2020. (in Russian)
N.V. Leppenen, E.L. Ivchenko, and L.E. Golub, “Spin noise spectroscopy of localized electrons and nuclei,” Phys. Rev. B, 105, 115306 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.115306
D.A. Parshin, and A.R. Shabaev, “Theory of linear IR absorption by semiconductors with degenerate bands,” Sov. Phys. JETP 65, 827 (1987). http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_065_04_0827.pdf
J.-Y. You, B. Gu, S. Maekawa, and G. Su, “Microscopic mechanism of high-temperature ferromagnetism in Fe, Mn, and Cr-doped InSb, InAs, and GaSb magnetic semiconductors,” Phys. Rev. B, 102, 094432 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.094432
B.K. Hamed, “Multi photon absorption processes induced by ultra-fast light pulses,” Ph.D. Thesis, Freie Universität Berlin, 2015.
V.R. Rasulov, R.Ya. Rasulov, N.U. Kodirov, and U.M. Isomaddinova, “Interband one photon absorption of light and its linear-circular dichroism in crystals with coherent saturation effect included,” Phys. Solid State, 65, 1173-1179 (2023). https://doi.org/10.61011/PSS.2023.07.56410.77
R.Y. Rasulov, V.R. Rasulov, M.K. Kuchkarov, et al., "Interband Multiphoton Absorption of Polarized Radiation and Its Linear Circular Dichroism in Semiconductors in the Kane Approximation," Russ. Phys. J. 65, 1746–1754 (2023). https://doi.org/10.1007/s11182-023-02825-3
G.L. Bir, and G.E. Pikus, Symmetry and Strain-Induced Effects in Semiconductors (Wiley, New York, 1974).
E.L. Ivchenko, and R.Ya. Rasulov, Symmetry and Real Band Structure of Semiconductors (Fan, Tashkent, 1989). (in Russian)
Vurgaftman, J.R. Meyer, and L.R. Ram-Mohan, “Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys,” J. Appl. Phys. 89, 5815-5875 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1368156
R. Pässler, “Parameter Sets Due to Fittings of the Temperature Dependencies of Fundamental Bandgaps in Semiconductors,” Phys. Status Solidi B, 216, 975 (1999). https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-3951(199912)216:2%3C975::AID-PSSB975%3E3.0.CO;2-N
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
