Meng, Fanqi and Walla, Frederik and Kovalev, Sergey and Deinert, Jan-Christoph and Ilyakov, Igor and Chen, Min and Ponomaryov, Sergey and Pavlov, Sergey and Hübers, Heinz-Wilhelm and Abrosimov, N. V. and Jungemann, Christoph and Roskos, Hartmut G. and Thomson, Mark D. (2023) Higher-harmonic generation in boron-doped silicon from band carriers and bound-dopant photoionization. Physical Review Research, 5, 043141. American Physical Society. doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.043141. ISSN 2643-1564.
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Official URL: https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043141
Abstract
We investigate ultrafast harmonic generation (HG) in Si:B, driven by intense pump pulses with fields reaching 100 kV/cm and a carrier frequency of 300 GHz, at 4 K and 300 K, both experimentally and theoretically. We report several findings concerning the nonlinear charge carrier dynamics in intense sub-THz fields: (i) Harmonics of order up to n = 9 are observed at room temperature, while at low temperature we can resolve harmonics reaching at least n = 11. The susceptibility per charge carrier at moderate field strength is as high as for charge carriers in graphene, considered to be one of the materials with the strongest sub-THz nonlinear response. (ii) For T = 300 K, where the charge carriers bound to acceptors are fully thermally ionized into the valence subbands, the susceptibility values decrease with increasing field strength. Simulations incorporating multi-valence-band Monte Carlo and finite-difference-time-domain (FDTD) propagation show that here, the HG process becomes increasingly dominated by energy-dependent scattering rates over the contribution from band nonparabolicity, due to the onset of optical-phonon emission, which ultimately leads to the saturation at high fields. (iii) At T = 4 K, where the majority of charges are bound to acceptors, we observe a drastic rise of the HG yields for internal pump fields of 30 kV/cm, as one reaches the threshold for tunnel ionization. We disentangle the HG nonlinear response into contributions associated with the initial photoionization and subsequent motion in the bands, and show that intracycle scattering seriously degrades any contribution to HG emission from coherent recollision of the holes with their parent ions.
| Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/201218/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Title: | Higher-harmonic generation in boron-doped silicon from band carriers and bound-dopant photoionization | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Authors: |
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| Date: | 9 November 2023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Journal or Publication Title: | Physical Review Research | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gold Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume: | 5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DOI: | 10.1103/PhysRevResearch.5.043141 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Page Range: | 043141 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Publisher: | American Physical Society | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ISSN: | 2643-1564 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Keywords: | high hermonic generation, silicon, TELBE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Research field: | Aeronautics, Space and Transport | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program: | Space | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program Themes: | Space System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research area: | Raumfahrt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Program: | R SY - Space System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research theme (Project): | R - Detectors for optical instruments | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Location: | Berlin-Adlershof | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Institutes and Institutions: | Institute of Optical Sensor Systems > Terahertz and Laser Spectroscopy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited By: | Pavlov, Dr. Sergey | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited On: | 15 Dec 2023 09:00 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Last Modified: | 29 Jan 2024 13:02 |
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