Modélisation et optimisation de l’émission THz par des oscillations de Bloch
Jairo Ricardo CARDENAS (LPA)

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Salle conf IV - 24 rue Lhomond

Mercredi 3 novembre 2010 à 14h30

Résumé :

Cette thèse présente une étude théorique des oscillations de courant et
l’émission de lumière THz dans les super-réseaux de semi-conducteur
polarisés soumis à une excitation optique pulsée. Ce travail a été fait en
étroite collaboration avec des expérimentateurs. Ceci a permis de faire
des comparaisons entre la théorie et l’expérience. Dans la dernière partie
de cette thèse, nous poursuivons notre étude en incluant les effets sur
les oscillations de courant d’un champ magnétique parallèle au champ
électrique de polarisation.

Nous décrivons tout d’abord le système physique relié aux super-réseaux
polarisés et toutes les caractéristiques qui définissent leurs propriétés
électro-optiques, notamment l’échelle d’états de Wannier-Stark dans sa
forme tridimensionnelle, qui représentent les états quantiques du
quasi-continuum, et les états excitoniques qui sont formés lors d’une
excitation optique.

Nous modélisons par une approche quantique la dynamique des porteurs de
charge dans les super-réseaux lors d’une excitation optique femtosecondes
au moyen des états de Wannier-Stark et excitoniques. Tous les paramètres
mis en jeu dans le phénomène des oscillations de courant sont discutés. De
même, nous donnons les éléments nécessaires à l’optimisation de l’émission
THz. L’excellent accord entre les calculs et les résultats expérimentaux
donne crédit à notre modélisation.

Finalement, nous incluons les effets sur l’amplitude du courant et de
l’émission suite à l’application d’un champ magnétique intense appliqué
parallèlement au champ de polarisation. Nous prédisons d’importantes
modifications du spectre des oscillateurs, associées à la quantification
additionnelle du quasi-continuum existant dans le plan perpendiculaire au
champ électrique en l’absence du champ magnétique.

Abstract :

This thesis treats theoretically the current oscillations, and the subsequent THz emission in biased semiconductor superlattices after being shined by a near infrared femtosecond pulsed excitation. This work has been done in close collaboration with experimentalist. This has made possible the comparison between the theoretical and the experimental results. In the last part of this thesis, we improve our theoretical treatment by including the effects of a magnetic field on the current amplitude, when it is applied parallel to the bias field.

First of all, we describe the physical system related to biased superlattices, as well as the characteristics that define their opto-electronic properties. In particular, we define the Wannier-Stark ladder of states in a tridimensional form that takes account the quasi-continuous quantum states. Besides, we describe the excitonic states, which are always involved in interband optical transitions.

We use a quantum mechanical formalism in order to explain the dynamics of charge carriers inside the superlattices after being excited by an optical femtosecons pulse. We include in these calculations both, the Wannier-Stark and the excitonic states. All the parameters playing a role in the formation of the current oscillations are discussed. In the same way, we predict the optimal conditions to improve the THz emission. The excellent agreement between the theoretical end experimental results strongly supports our theoretical treatment.

Finally, we analyze the effects of a magnetic field applied parallel to the bias field on the amplitude of the THz current and emission. We predict the occurrence of significant modifications in the oscillator spectra. Those are associated to the higher transverse quantization of the quasi-continuum states that takes place when the magnetic field is applied.

Salle conf IV - 24 rue Lhomond