Odezva polovodičových nanostruktur na terahertzová pole

• Název práce v češtině: Odezva polovodičových nanostruktur na terahertzová pole
• Název v anglickém jazyce: Response of semiconductor nanostructures to terahertz fields
• Klíčová slova: terahertz|polovodič|lineární odezva|nelineární odezva|optika|nanostruktura
• Klíčová slova anglicky: terahertz|semiconductor|linear response|nonlinear response|optics|nanostructure
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Student v dizertační práci teoreticky popíše interakci terahertzového záření s polovodičovými nanostrukturami na semiklasické úrovni, tj. se zahrnutím efektu kvantování elektronu v důsledku kvantově-rozměrového jevu. Za tímto účelem student vytvoří adekvátní model, vycházející z aktuálních poznatků v oboru, a následně jej aplikuje na konkrétní systém se zadanými parametry, ev. pokud budou k dispozici experimentální data, provede porovnání s experimentem. Cílem projektu je rozvinutí dostupné teorie lineární odezvy v dalekém poli o 1. popis interakce s blízkým elektromagnetickým polem v přítomnosti např. AFM hrotu, ozářeném dalekým THz polem, a 2. rozvinutí teorie o popis nelinearit na kvantově-mechanické úrovni.

Seznam odborné literatury

Lukas Novotny, Bert Hecht: Principles of nano-optics, Cambridge University Press, Cambridge, 2006.
Hartmut Haug, Antti-Pekka Jauho: Quantum kinetics in transport and optics of semiconductors, Springer, Berlin, 2008.
Michael P. Marder: Condensed matter physics, Wiley, Hoboken, 2010.

T. Ostatnický et al., Phys. Rev. B 97, 085426 (2018)
P. Kužel, P. Němec, Adv. Opt. Mater. 8, 1900623 (2020)

další časopisecká literatura

Předběžná náplň práce

Výzkum interakce terahertzových polí s materiály je poměrně nová disciplína jak z pohledu teorie, tak i experimentu. Z pohledu teoretického je mnoho úloh řešitelných běžnými metodami a frekvence záření na pomezí optiky a elektroniky nepředstavuje překážku. Co se ale ukazuje jako problém, je popis interakce systému elektronů s terahertzovým polem v polovodičových nanostrukturách: elektrony se volně pohybují v krystalu s výjimkou odrazu od jeho stěn a rozptylu na nečistotách nebo jiných elektronech. Doba mezi odrazy/rozptyly může být řádově srovnatelná s periodou teraherzového pole a tím pádem rychlost rozfázování systému nemůžeme zanedbat v porovnání s frekvencí pole (jako v optice), ani nemůžeme zanedbat frekvenci v porovnání s rychlostí rozfázování (jako v elektronice). To spolu s narušenou translační symetrií v nanostrukturách přináší nové výzvy pro teorii, jejímž úkolem je nalézt metodu popisu systému bez nutnosti provedení aproximací, běžných v přístupu k jiným frekvenčním oblastem.

Na úrovni lineární odezvy nanokrystalů v dalekém poli se již podařilo nalézt odpovídající úroveň popisu a teoretické modely již byly aplikovány na konkrétní polovodičové systémy. V současnosti je snaha teoretické metody zdokonalit např. o možnost popisu odezvy Diracových elektronů (grafen a podobné materiály). Cílem je také nalézt metody, jak zahrnout interakci s blízkými poli: ta jsou exprimentálně dostupná a umožňují zkoumat lokální odezvu pouze jedné nanostruktury. Zatím ale neexistuje metodika, jak experimentální výstupy přepočítat na materiálové parametry nanostruktury a za tímto účelem je třeba nejprve odezvu nanostruktur v blízkém poli popsat a až poté navrhnout řešení inverzní úlohy. V neposlední řadě je pak snahou v experimentu i teorii pozorování a identifikace terahertzových nelinearit, které by měly být v nanostrukturách relativně silné.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Research of the interaction of terahertz fields with materials has been a relativey new discipline from the point of view of both theory and experiment. Many problems are solvable by means of common theoretical methods since the particular terahertz frequency in between electronics and optics is not a difficulty. It turns out, however, that the description of the interaction of electrons within semicondutor nanostructures with THz fields is rather complicated: electrons are free to propagate inside a crystal except for reflections on the crystal walls and scattering with disorder or other electrons. The scattering time may be comparable to the THz field period and thus the dephasing time must not be neglected, compared to the field frequency (like in optics) and neither the frequency may be neglected, compared to the dephasing (like in electronics). Together with the broken translational symmetry, these facts bring new challenges for the theory, whose task is then to search for new methods of description without the necessity of performing these approximations which are usual in other frequency ranges.

A proper model of the linear response of nanocrystals in far fields has been found already and it has been applied to particular semiconductor systems. Currently we try to improve these models by e.g. inclusion of description of the response of Dirac electrons (graphene and similar materials). The goal is also to include near fields: interaction with near THz field is experimentally achievable and it allows one to investigate the local response of just one nanostructure. Unfortunatelly, there is no method how to process the experimentl data in order to get microscopic material parameters of the nanostructure. It is therefore necessary to first describe the response of nanostructures and then to propose the solution of the inverse problem. Last but not least, both experiment and theory have a vision of identification of nonlinear terahertz effects which should be relatively strong in nanostructures.