"Experimental observation of electron-hole recollisions". B. Zaks, R. B. Liu, M. S. Sherwin. NATURE 483, 580 (2012), DOI: 10.1038/nature10864
An intense laser field can remove an electron from an atom or molecule
and pull the electron into a large-amplitude oscillation in which it
repeatedly collides with the charged core it left behind.
Such recollisions result in the emission of very energetic photons by
means of high-order-harmonic generation, which has been observed in
atomic and molecular gases as well as in a bulk crystal.
An exciton is an atom-like excitation of a solid in which an electron
that is excited from the valence band is bound by the Coulomb
interaction to the hole it left behind.
It has been predicted that recollisions between electrons and holes in
excitons will result in a new phenomenon: high-order-sideband generation. In this process, excitons are created by a weak near-infrared laser of frequency fNIR. An intense laser field at a much lower frequency, fTHz,
then removes the electron from the exciton and causes it to recollide
with the resulting hole. New emission is predicted to occur as sidebands
of frequency fNIR + 2nfTHz, where n
is an integer that can be much greater than one. Here we report the
observation of high-order-sideband generation in semiconductor quantum
wells. Sidebands are observed up to eighteenth order (+18fTHz, or n
= 9). The intensity of the high-order sidebands decays only weakly with
increasing sideband order, confirming the non-perturbative nature of
the effect. Sidebands are strongest for linearly polarized terahertz
radiation and vanish when the terahertz radiation is circularly
polarized. Beyond their fundamental scientific significance, our results
suggest a new mechanism for the ultrafast modulation of light, which
has potential applications in terabit-rate optical communications.
Un campo láser intenso puede remover un electrón de un átomo o de una molécula y llevar al electrón a una oscilación de gran amplitud en la cual colisiona repetidamente con el núcleo cargado que dejó detrás. Tales "recolisiones" dan lugar a la emisión de fotones muy energéticos, por medio de la generación de armónicos de alto orden, los cuales han sido observados en gases atómicos y moleculares, así como en cristales en bulto. Un excitón es la excitación de un sólido semejante a la de un átomo, en la cual un electrón que es excitado de su banda de valencia se enlaza, mediante una interacción Coulombiana, al hueco que ha dejado detrás. Se ha predicho que las "recolisiones" entre electrones y huecos en excitones dan lugar a un nuevo fenómeno: la generación de armónicos altos contiguos. En este proceso, los excitones son creados por un láser débil en el infrarrojo cercano de frecuencia fNIR.Un campo láser intenso, a una frecuencia mucho menor fTHz, remueve al electrón del excitón y provoca que "recolisione" con el hueco resultante. Se predice una nueva emisión en bandas contiguas de frecuencia fNIR + 2nfTHz, donde n es un entero que puede ser mucho mayor que uno. Aquí se reporta la observación de la generación de órdenes altos contiguos en pozos de potencial cuánticos hechos de semiconductores. Las bandas contiguas se observan hasta el orden dieciocho (+18fTHz, or n
= 9). La intensidad de las bandas contiguas de alto orden decae débilmente cuando se incrementa el orden de la banda contigua, lo que confirma la naturaleza no perturbativa del efecto. Las bandas contiguas son más intensas para la radiación en terahertz linealmente polarizada, y desaparecen cuando la radiación en terahertz está polarizada circularmente. Más allá del significado científico fundamental, estos resultados sugieren un nuevo mecanismo para la modulación ultrarrápida de la luz, la cual tiene aplicaciones potenciales en las comunicaciones ópticas del orden de terabits.
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