2次元非線形メタマテリアルの超高速および低閾値THZモードスイッチング

誘電体環境に埋め込まれた共鳴金属構造からなる慎重に設計された2次元THZメタマテリアルは、環境の非線形応答を引き起こすために十分に高い値に入射THZパルスの電磁場を局所的に強化します。半導体では、反応は、インターバレー散乱、衝撃イオン化、またはバンド間トンネリングを介した非線形輸送現象に起因し、金属構造の共振挙動に影響を及ぼします。ただし、モードスイッチング、特に時間スケールの詳細はまだ議論されています。異なるバンドガップを持つ内因性半導体のNMサイズのギャップを持つ金属スプリットリング共振器を使用することにより、最も関連性の高いキャリア生成プロセスを特定します。さらに、非線形THZ時間領域分光法とシミュレーションを組み合わせることにより、モードを約100フェムト秒に切り替えるための最速の時定数を確立します。私たちの結果は、支配的なキャリアの生成メカニズムとダイナミクスを解明するだけでなく、THZ帯域幅を使用して光駆動型モジュレーターへのルートを補います。

Judiciously designed two-dimensional THz metamaterials consisting of resonant metallic structures embedded in a dielectric environment locally enhance the electromagnetic field of an incident THz pulse to values sufficiently high to cause nonlinear responses of the environment. In semiconductors, the response is attributed to nonlinear transport phenomena via intervalley scattering, impact ionization, or interband tunneling and can affect the resonant behavior of the metallic structure, which results, for instance, in mode switching. However, details of mode switching, especially time scales, are still debated. By using metallic split-ring resonators with nm-size gaps on intrinsic semiconductors with different bandgaps, we identify the most relevant carrier generation processes. In addition, by combining nonlinear THz time-domain spectroscopy with simulations, we establish the fastest time constant for mode switching to around hundred femtoseconds. Our results not only elucidate dominant carrier generation mechanisms and dynamics but also pave the route toward optically driven modulators with THz bandwidth.