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Higher-harmonic generation in boron-doped silicon from band carriers and bound-dopant photoionization

Meng, Fanqi und Walla, Frederik und Kovalev, Sergey und Deinert, Jan-Christoph und Ilyakov, Igor und Chen, Min und Ponomaryov, Sergey und Pavlov, Sergey und Hübers, Heinz-Wilhelm und Abrosimov, N. V. und Jungemann, Christoph und Roskos, Hartmut G. und 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.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043141

Kurzfassung

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.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/201218/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Higher-harmonic generation in boron-doped silicon from band carriers and bound-dopant photoionization
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Meng, FanqiPhysikalisches Institut, Goethe-Universität FrankfurtNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Walla, FrederikPhysikalisches Institut, Goethe-Universität FrankfurtNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kovalev, SergeyHelmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Deinert, Jan-ChristophHelmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ilyakov, IgorHelmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Chen, MinHelmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ponomaryov, SergeyHelmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pavlov, SergeySergeij.Pavlov (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hübers, Heinz-WilhelmHeinz-Wilhelm.Huebers (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Abrosimov, N. V.Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Jungemann, ChristophInstitut für Theoretische Elektrotechnik, RWTH AachenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Roskos, Hartmut G.Physikalisches Institut, Goethe-Universität FrankfurtNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thomson, Mark D.Physikalisches Institut, Goethe-Universität FrankfurtNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:9 November 2023
Erschienen in:Physical Review Research
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:5
DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043141
Seitenbereich:043141
Verlag:American Physical Society
ISSN:2643-1564
Status:veröffentlicht
Stichwörter:high hermonic generation, silicon, TELBE
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Detektoren für optische Instrumente
Standort: Berlin-Adlershof
Institute & Einrichtungen:Institut für Optische Sensorsysteme > Terahertz- und Laserspektroskopie
Hinterlegt von: Pavlov, Dr. Sergey
Hinterlegt am:15 Dez 2023 09:00
Letzte Änderung:29 Jan 2024 13:02

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