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Dispositivos de fonones acústicos en nanoestructuras semiconductoras y de óxidos piezoeléctricos

Resumen: Recientemente se ha demostrado una forma novedosa de optimizar el acoplamiento de luz y “sonido” en microcavidades que confinan a la vez fotones y vibraciones acústicas [1,2,3]. Se espera que este desarrollo de lugar a nuevas posibilidades para la generación de fonones coherentes, la implementación de “láseres de fonones”, e incluso el aumento de la coherencia de dispositivos electrónico-cuánticos mediante el control de la interacción electrón-fonón. (E)

Publicación enviada por Cristian Antiba




 


Recientemente se ha demostrado una forma novedosa de optimizar el acoplamiento de luz y “sonido” en microcavidades que confinan a la vez fotones y vibraciones acústicas [1,2,3]. Se espera que este desarrollo de lugar a nuevas posibilidades para la generación de fonones coherentes, la implementación de “láseres de fonones”, e incluso el aumento de la coherencia de dispositivos electrónico-cuánticos mediante el control de la interacción electrón-fonón. [2] En las microcavidades ópticas una modulación dieléctrica con dimensiones del orden de la longitud de onda de la luz genera un fuerte confinamiento óptico, modificándose así fundamentalmente los procesos de interacción de la luz con la materia [4]. Esto se consigue gracias a la técnica de crecimiento epitaxial de semiconductores, que permite un control de los espesores a la escala de una monocapa [5]. Las cavidades de fonones son conceptualmente similares, donde la modulación ocurre no en la función dieléctrica sino en las constantes elásticas de los materiales [1,2]. Así mismo, este paralelo entre luz y sonido puede extenderse a otros fenómenos y dispositivos, previéndose por lo tanto la posibilidad de diseñar y crecer múltiples dispositivos de fonones (sonido) basados en otros existentes de fotones (luz).

   Estos trabajos involucran experimentos de luminiscencia y espectroscopía Raman, y cálculos del comportamiento óptico, elástico y de eficiencia Raman en estructuras con confinamiento de fotones y fonones acústicos [1,3].

   Para éstos procesos son necesarias diversas técnicas ópticas, incluyendo reflectividad, luminiscencia (emisión de luz), y dispersión Raman, con facilidades criogénicas en el rango 2-300K, la concepción de nuevas estructuras semiconductoras con confinamiento de fonones acústicos. Para esto y para la descripción de los experimentos también se debe uno familiarizar con cálculos de reflectividad, distribución de campo eléctrico y emisión de dipolos en estructuras de multicapas, de vibraciones acústicas en estructuras semiconductoras laminares, y de eficiencia Raman mediante modelos fotoelásticos. En particular, trabajar en el diseño de dispositivos (espejos, cavidades, filtros de “color”, filtros “notch”, etc.) utilizando diferentes materiales semiconductores y óxidos, en algunos casos incluyendo materiales piezoeléctricos para los cuales la interacción luz-sonido se espera se vea amplificada.

   Además de los filtros descriptos más arriba, buscar evidenciar la existencia de “oscilaciones de Bloch” de ultrasonido, demostradas recientemente para fotones [6].

   Se podrían estudiar mediante espectroscopía Raman los dispositivos fonónicos diseñados.

   En los casos en que se crea conveniente, se podría utilizar la dispersión inelástica de luz (Raman) en microcavidades planas (confinamiento óptico en una dimensión) [7,8]. La amplificación de la eficiencia Raman por confinamiento óptico presenta gran interés para la espectroscopía fina de excitaciones vibracionales o electrónicas dentro de las cavidades, ya que la gran amplificación y selectividad en energía posibilitan el estudio de objetos de muy débil sección eficaz intrínseca de dispersión.

   Al diseñar muestras , crecerían en el marco de colaboraciones internacionales por diferentes laboratorios extranjeros: el Laboratoire de Photonique te des Nanostructures, Marcoussis, Francia, el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, y otros de Japón y Estados Unidos

 

[1] M. Trigo, A. Bruchhausen, A. Fainstein, B. Jusserand, y V. Thierry-Mieg, Phys. Rev. Lett. 89, 227402 (20020

[2] Ver también el comentario por J. M. Worlock and M. L. Roukes, en Nature 421, 802 (2003).

[3] P. Lacharmoise, A. Fainstein, B. Jusserand, V. Thierry-Mieg, Appl. Phys. Lett., a publicarse el 26 de abril.

[4] Ver, por ejemplo, los artículos de review Y. Yamamoto y R. E. Slusher, Phys. Today 46, 66 (1993); y R. E. Slusher y C. Weisbuch, Solid State Commun. 92, 149 (1994).

[5] Para una introducción sobre técnicas ópticas en el estudio de semicondutores, y en particular sobre la espectroscopía Raman, ver P. Y. Yu y M. Cardona, “Fundamentals of semiconductors, Physics and Material Properties” (Springer, Berlin, 1995), capítulos 6 y 7.

[6] V. Agarwal et al., Phys. Rev. Lett. 92, 097401 (2004).

[7] A. Fainstein, B. Jusserand, and V. Thierry Mieg, Phys. Rev. Lett. 75, 3764 (1995).

[8] A. Fainstein, M. Trigo, D. Oliva,  B. Jusserand, T. Freixanet, and V. Thierry-Mieg, Phys. Rev. Lett. 86, 3411 (2001).

[8] M. Trigo, Trabajo Especial, Instituto Balseiro 2001.



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