Lateral'naya plazmonnaya sverkhreshetka v nerezonansnom rezhime

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Изучен коэффициент прохождения терагерцового излучения через латеральную плазменную сверхрешетку с элементарной ячейкой, состоящей из двух областей с разными скоростями плазменных волн, s1 и s1 (s1 > s1). Обобщена теория, разработанная ранее для резонансного случая, на нерезонансный режим, в предположении, что темп релаксации, γ, велик по сравнению с фундаментальными частотами плазменных колебаний ω1,2 в обеих областях. Описана эволюция коэффициента прохождения T с ростом частоты излучения, выявлено несколько режимов диссипации, построена общая диаграмма, описывающая эти режимы и найдены соответствующие аналитические выражения для T. Наиболее важный результат состоит в том, что T резко зависит от частоты ω и от напряжения на затворах, которые управляют скоростями s1,2. В частности, для ω2 ≪ ω1 прохождение T резко меняется в очень малом масштабе частот δω ≪ γ, определяемом макевелловской релаксацией (δω ∼ ω12/γ), так что сверхрешетка демонстрирует очень высокую чувствительность в узком частотном интервале. Неожиданное появление узкого пика глубоко в нерезонансном режиме является универсальным явлением и может также наблюдаться в ряде других фотоэлектрических эффектов.

About the authors

I. V Gorbenko

Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН

Email: gorbenko.ilya.v@gmail.com
С.-Петербург, Россия

V. Yu Kachorovskiy

Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН

С.-Петербург, Россия

References

  1. A. V. Chaplik, Sov. Phys. JETP 35, 395 (1972).
  2. S. J. Allen, D. C. Tsui, and R. A. Logan, Phys. Rev. Lett. 38, 980 (1977).
  3. T. Theis, J. Kotthaus, and P. Stiles, Solid State Commun.24, 273 (1977).
  4. D. Tsui, S. Allen, R. Logan, A. Kamgar, and S. Coppersmith, Surf. Sci.73, 419 (1978).
  5. T. Theis, J. Kotthaus, and P. Stiles, Solid State Commun. 26, 603 (1978).
  6. T. N. Theis, Surf. Sci. 98, 515 (1980).
  7. D. Tsui, E. Gornik, and R. Logan, Solid State Commun. 35, 875 (1980).
  8. J. Kotthaus, W. Hansen, H. Pohlmann, M. Wassermeier, and K. Ploog, Surface Science 196(1), 600 (1988).
  9. S. Maier, Plasmonics – Fundamentals and Applications, Springer, N.Y. (2007).
  10. M. Dyakonov and M. Shur, Phys. Rev. Lett. 71, 2465 (1993).
  11. M. Dyakonov and M. Shur, IEEE Trans. Electron Devices 43(3), 380 (1996).
  12. T. Otsuji and M. Shur, IEEE Microwave Magazine 15, 43 (2014).
  13. N. Akter, N. Pala, W. Knap, and M. Shur, THz Plasma Field Effect Transistor Detectors, Fundamentals of Terahertz Devices and Applications (2021), p. 285.
  14. M. Shur, G. Aizin, T. Otsuji, and V. Ryzhii, Sensors 21, 7907 92021).
  15. A. V. Muravjov, D. B. Veksler, V. V. Popov, O. V. Polischuk, N. Pala, X. Hu, R. Gaska, H. Saxena, R. E. Peale, and M. S. Shur, Appl. Phys. Lett. 96, 042105 (2010).
  16. S. Boubanga-Tombet, W. Knap, D. Yadav, Satou, D. B. But, V. V. Popov, I. V. Gorbenko, V. Kachorovskii, and T. Otsuji, Phys. Rev. X 10, 031004 (2020).
  17. D. V. Fateev, V. V. Popov, and M. S. Shur, Semiconductors 44, 1406 (2010).
  18. V. V. Popov, D. V. Fateev, T. Otsuji, Y. M. Meziani, D. Coquillat, and W. Knap, Appl. Phys. Lett. 99, 243504 (2011).
  19. V. Y. Kachorovskii and M. S. Shur, Appl. Phys. Lett. 100(23), 232108 (2012).
  20. V. V. Popov, D. V. Fateev, E. L. Ivchenko, and S. D. Ganichev, Phys. Rev. B 91, 235436 (2015).
  21. A. S. Petrov, D. Svintsov, V. Ryzhii, and M. S. Shur, Phys. Rev. B 95, 045405 (2017).
  22. D. Fateev, K. Mashinsky, O. Polischuk, and V. Popov, Phys. Rev. Appl. 11, 064002 (2019).
  23. T. Otsuji, Y. M. Meziani, T. Nishimura, T. Suemitsu, W. Knap, E. Sano, T. Asano, and V. V. Popov, J. Phys. Condens. Matter 20(38), 384206 (2008).
  24. T. Otsuji, T. Watanabe, S. A. Boubanga Tombet, Satou, W. M. Knap, V. V. Popov, M. Ryzhii, and V. Ryzhii, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3, 63 (2013).
  25. P. Sai, V. V. Korotyeyev, M. Dub, M. S-lowikowski, M. Filipiak, D. B. But, Y. Ivonyak, M. Sakowicz, Y. M. Lyaschuk, S. M. Kukhtaruk, G. Cywinski, and W. Knap, Phys. Rev. X 13, 041003(2023).
  26. G. R. Aizin, J. Mikalopas, and M. Shur, Phys. Rev. B 107, 245424 (2023).
  27. G. Aizin, S. Mundaganur, A. Mundaganur, and J. P. Bird, Sci. Rep. 14, 11856 (2024).
  28. M. Dub, P. Sai, P. Prystawko, W. Knap, and S. Rumyantsev, Nanomaterials 14(18), 1502 (2024).
  29. S. I. Gubarev, V. M. Muravev, I. V. Andreev, V. N. Belyanin, and I. V. Kukushkin, JETP Lett. 102, 461 (2015).
  30. T. K. Hakala, H. T. Rekola, A. I. V¨akev¨ainen, J.-P. Martikainen, M. Neˇcada, A. J. Moilanen, and P. T¨orm¨a, Nat. Commun. 8, 13687 (2017).
  31. I. Yahniuk, M. Hild, L. E. Golub, J. Amann, J. Eroms, D. Weiss, W.-H. Kang, M.-H. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, and S. D. Ganichev, Phys. Rev. B 109, 235428 (2024).
  32. M. Dub, P. Sai, D. Yavorskiy, Y. Ivonyak, P. Prystawko, R. Kucharski, G. Cywinski, W. Knap, and S. Rumyantsev, arXiv, vol. arXiv:2505.07557 (2025).
  33. S. A. Mikhailov, Phys. Rev. B 58, 1517 (1998).
  34. I. Gorbenko and V. Kachorovskii, Phys. Rev. B 110, 155406 (2024).
  35. W. Knap, V. Kachorovskii, Y. Deng, S. Rumyantsev, J.-Q. Lu¨, R. Gaska, M. S. Shur, G. Simin, X. Hu, M. A. Khan, C. A. Saylor, and L. C. Brunel, J. Appl. Phys. 91, 9346 (2002).
  36. A. Zak, M. A. Andersson, M. Bauer, J. Matukas, Lisauskas, H. G. Roskos, and J. Stake, Nano Lett. 14, 5834 (2014).
  37. L. Vicarelli, M. S. Vitiello, D. Coquillat, A. Lombardo, C. Ferrari, W. Knap, M. Polini, V. Pellegrini, and Tredicucci, Nat. Mater. 11, 865 (2012).
  38. D. A. Bandurin, I. Gayduchenko, Y. Cao, M. Moskotin, Principi, I. V. Grigorieva, G. Goltsman, G. Fedorov, and D. Svintsov, Appl. Phys. Lett. 112, 141101 (2018).
  39. J. A. Delgado-Notario, V. Cleric`o, E. Diez, J. E. Vel´azquez-P´erez, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Otsuji, and Y. M. Meziani, APL Photonics 5, 066102 (2020).
  40. J. A. Delgado-Notario, W. Knap, V. Cleric`o, J. Salvador-S´anchez, J. Calvo-Gallego, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Otsuji, V. V. Popov, D. V. Fateev, E. Diez, J. E. Vel´azquez-P´erez, and Y. M. Meziani, Nanophotonics 11, 519 (2022).
  41. A. Soltani, F. Kuschewski, M. Bonmann, A. Generalov, Vorobiev, F. Ludwig, M. M. Wiecha, D. Cˇibiraite˙, F. Walla, S. Winnerl, S. C. Kehr, L. M. Eng, J. Stake, and H. G. Roskos, Light Sci. Appl. 9, 97 (2020).
  42. D. Veksler, F. Teppe, A. P. Dmitriev, V. Y. Kachorovskii, W. Knap, and M. S. Shur, Phys. Rev. B 73, 125328 (2006).
  43. C. Drexler, N. Dyakonova, P. Olbrich, J. Karch, M. Schafberger, K. Karpierz, Y. Mityagin, M. B. Lifshits, F. Teppe, O. Klimenko, Y. M. Meziani, W. Knap, and S. D. Ganichev, J. Appl. Phys. 111(12), 124504 (2012).
  44. K. S. Romanov and M. I. Dyakonov, Appl. Phys. Lett. 102(15), 153502 (2013).
  45. I. V. Gorbenko, V. Y. Kachorovskii, and M. S. Shur, Physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 13(3), 1800464 (2019).
  46. I. V. Gorbenko, V. Y. Kachorovskii, and M. Shur, Opt. Express 27, 4004 (2019).
  47. Y. Matyushkin, S. Danilov, M. Moskotin, V. Belosevich, N. Kaurova, M. Rybin, E. D. Obraztsova, G. Fedorov, I. Gorbenko, V. Kachorovskii, and S. Ganichev, Nano Lett. 20, 7296 (2020).
  48. E. L. Ivchenko and S. D. Ganichev, JETP Lett.93(11), 673 (2011).
  49. I. V. Rozhansky, V. Y. Kachorovskii, and M. S. Shur, Phys. Rev. Lett. 114, 246601 (2015).
  50. P. Faltermeier, G. V. Budkin, J. Unverzagt et al. (Collaboration), Phys. Rev. B 95, 155442 (2017).
  51. P. Faltermeier, G. Budkin, S. Hubmann, V. Bel’kov, L. Golub, E. Ivchenko, Z. Adamus, G. Karczewski, T. Wojtowicz, D. Kozlov, D. Weiss, and S. Ganichev, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 101, 178 (2018).
  52. S. Hubmann, V. V. Bel’kov, L. E. Golub, V. Y. Kachorovskii, M. Drienovsky, J. Eroms, D. Weiss, and S. D. Ganichev, Physical Review Research 2, 033186 (2020).
  53. P. Sai, S. O. Potashin, M. Szo-la, D. Yavorskiy, G. Cywin´ski, P. Prystawko, J. Lusakowski, S. D. Ganichev, S. Rumyantsev, W. Knap, and V. Y. Kachorovskii, Phys. Rev. 104, 045301 (2021).
  54. E. M¨onch, S. O. Potashin, K. Lindner, I. Yahniuk, L. E. Golub, V. Y. Kachorovskii, V. V. Bel’kov, R. Huber, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Eroms, D. Weiss, and S. D. Ganichev, Phys. Rev. B 105, 045404 (2022).
  55. E. M¨onch, S. O. Potashin, K. Lindner, I. Yahniuk, L. E. Golub, V. Y. Kachorovskii, V. V. Bel’kov, R. Huber, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Eroms, D. Weiss, and S. D. Ganichev, Phys. Rev. B 107, 115408 (2023).
  56. M. I. D’yakonov and A. Furman, Sov. Phys. JETP 65(3), 574 (1987).
  57. V. Fal’ko and D. Khmel’nitskii, Sov. Phys. JETP 68, 1150 (1989).
  58. S. O. Potashin, L. E. Golub, and V. Y. Kachorovskii, Phys. Rev. B 111, 205401 (2025).
  59. O. Sydoruk, K. Choonee, and G. C. Dyer, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 5(3), 486 (2015).
  60. A. M. Zarezin, D. Mylnikov, A. S. Petrov, D. Svintsov, P. A. Gusikhin, I. V. Kukushkin, and V. M. Muravev, Phys. Rev. B 107, 075414 (2023).
  61. E. Ivchenko and M. Petrov, Phys. Solid State 56, 1833 (2014).
  62. M. Krasheninnikov and A. Chaplik, Sov. Phys. Semiconductors 15, 19 (1981).
  63. G. Eliasson, J.-W. Wu, P. Hawrylak, and J. Quinn, Solid State Commun. 60(1), 41 (1986).
  64. S. Meshkov, J. Phys. Condens. Matter 3, 1773 (1991).
  65. W. L.Schaich, P. W. Park, and A. H. MacDonald, Phys. Rev. B 46, 12643 (1992).
  66. C. Ager and H. Hughes, Solid State Commun. 83(8), 627 (1992).
  67. A. Govorov, S. Studenikin, and W. Frank, Phys. Solid State 40, 499 (1998).
  68. O. Matov, O. Meshkov, and V. Popov, JETP 86, 538 (1998).
  69. A. A. Zagitova, V. M. Muravev, P. A. Gusikhin, A. A. Fortunatov, and I. V. Kukushkin, JETP Lett. 108, 446 (2018).
  70. M. Y. Morozov, V. V. Popov, and D. V. Fateev, Photonics Nanostructures: Fundam. Appl. 50, 101027 (2022).
  71. R. J. Wilkinson, C. D. Ager, T. Duffield, H. P. Hughes, D. G. Hasko, H. Ahmed, J. E. F. Frost, D. C. Peacock, D. A. Ritchie, G. A. C. Jones, C. R. Whitehouse, and N. Apsley, J. Appl. Phys. 71, 6049 (1992).
  72. B. Rejaei and A. Khavasi, J. Opt. 17, 075002 (2015).
  73. V. Semenenko, M. Liu, and V. Perebeinos, Phys. Rev. Appl. 14, 024049 (2020).
  74. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Mechanics. § 26. Forced oscillations under friction, 4th ed., Nauka, Moscow (1988).
  75. R. Feynman, R. Leighton, and M. Sands, The Feynman lectures on physics. § 23, The forced oscillator with damping. Addison-Wesley Pub. Co., Boston (1964).
  76. V. V. Popov, M. S. Shur, G. M. Tsymbalov, and D. V. Fateev, Int. J. High Speed Electron. Syst. 17(03), 557 (2007).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences