ТЕРАГЕРЦОВОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОННЫХ ФОТОТОКОВ В ДВУМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ
1,2
1Саратовский филиал Института радиотехники и электроники
им. РАН
2Саратовский государственный университет им.
E-mail: *****@***com
Возбуждение плазмонов может усиливать фотовольтаические эффекты вследствие локализации и концентрации света в активной области структуры [1]. В отличие от поверхностных плазмон-поляритонов в металлах, возбуждаемых в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, плазмоны в двумерных электронных системах (2МЭС) возбуждаются на терагерцовых частотах [2]. В данном докладе обсуждаются поляризационно-зависимые фототоки, возбуждаемые плазменной волной в однородной центросимметричной 2МЭС. Показано, что линейный фототок может быть интерпретирован как эффект плазмонного увлечения, зависящий от поряризации плазменной волны. Поперечная компонента тока плазмонного увлечения появляется, если электрическое поле линейно-поляризованного плазмона образует угол с волновым вектором плазмона в плоскости 2МЭС. Циркулярно-зависимая компонента фототока направлена поперек волнового вектора плазмона и меняет направление на противоположное при изменении знака циркулярной поляризации плазменной волны.
Плазменные колебания в 2МЭС описываются гидродинамическими уравнениями
(1)
(2)
где 
– электрическое поле плазменной волны, зависящее от времени t и радиуса-вектора 
в плоскости 2МЭС, τ – время рассеяния электронов в 2МЭС, 
– плотность индуцированного электрического тока, V(r,t) и N(r,t) – соответственно гидродинамическая скорость и плотность электронов в 2МЭС, e и m – соответственно заряд (e > 0) и эффективная масса электрона.
Предположим, что плазменная волна распространяется в x-направлении и имеет произвольную поляризацию в плоскости 2МЭС с компонентами электрического поля
где 
и 
– действительные амплитуды x- и y-компонент электрического поля. Волна имеет линейную и циркулярную поляризацию в плоскости 2МЭС соответственно при 
и 
Применение теории возмущений для решения уравнений (1) и (2) позволяет вычислить компоненты выпрямленного тока j0:
(4)
где
(5)
(6)
и 
– равновесная электронная плотность в 2МЭС.
Физика фототока 
обсуждалась в [3]. Этот фототок направлен вдоль волнового вектора плазмона и, следовательно, может быть интерпретирован как ток продольного плазмонного увлечения электронов. Для того чтобы выяснить физику фототоков 
and 
рассмотрим два частных случая поляризации плазмонного поля. Сначала предположим, что электрическое поле плазмона имеет линейную поляризацию 
и направлено под произвольным углом к волновому вектору плазмона в плоскости 2МЭС. Тогда из уравнений (4), (5) и (6) следует, что фототок 
равен нулю и 
Это означает, что фототок течет в направлении линейно поляризованного электрического поля. Поэтому этот фототок мы называем линейным фототоком. Линейный фототок исчезает 
если электрическое поле направлено поперек волнового вектора плазмона в плоскости 2МЭС.
Далее предположим, что электрическое поле плазмона циркулярно поляризовано 
В этом случае поперечный линейный фототок равен нулю, а фототок меняет направление на противоположное при изменении знака циркулярной поляризации. Поэтому мы называем поперечный фототок циркулярным плазмонным фототоком [4].
Внутренние относительные чувствительности (на единицу площади 2МЭС) 
и 
для различных компонент фототока 
и определяется как отношение величины плотности соответствующего фототока к поглощаемой мощности на единице площади 2МЭС. Как следует из выражений (4)-(6), отношение между циркулярной и линейной компонентами фототока пропорционально 
Поэтому циркулярная компонента плазмонного фототока может значительно превосходить линейную компоненту фототока в 2МЭС с высокой подвижностью электронов (рис. 1).
Рис. 1. Зависимости внутренних чувствительностей от времени электронного рассеяния для 2МЭС в гетероструктуре InAlAs/InGaAs/InP на частоте 
при 
Чувствительности 
и 
вычислены соответственно при 
и 
и 
Библиографический список
1. Atwater H., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Nature Materials. 2010. V. 9, P. 205-213.
2. Popov V. V. Plasmon excitation and plasmonic detection of terahertz radiation in the grating-gate field-effect-transistor structures // J. Infrared Millimeter THz Waves. 2011. V.32. P. 1178-1191.
3. Popov V. V. Terahertz rectification by periodic two-dimensional electron plasma // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102, P. 253504 (1-5).
4. Popov V. V. Polarization-dependent plasmonic photocurrents in two-dimensional electron systems // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108, P. 261104 (1-5).
Сведения об авторе
– д. ф.-м. н., профессор, г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
