Физики обнаружили неожиданный эффект в экспериментах с терагерцовым излучением

Российско-немецкая группа исследователей изучает свойства полупроводниковых структур под воздействием электромагнитного излучения терагерцового диапазона. Ученые исследовали образцы легированного сурьмой германия на лазерах на свободных электронах в Новосибирске и в Дрездене. Результаты оказались неожиданными - динамика релаксации возбуждений отличается от теоретических предсказаний. Исследование свойств полупроводниковых структур актуальны для создания детекторов электромагнитного излучения, например, в астрономии для сверхчувствительных телескопов.

Кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший преподаватель НГУ Юлия Юрьевна Чопорова, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ Борис Александрович Кнзяев, и научный сотрудник ИЯФ СО РАН Василий Герасимов 

Исследователи Института ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) и Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) провели серию экспериментов на Лазере на свободных электронах (ЛСЭ) Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения ученые провели серию экспериментов с германиевыми полупроводниками и выяснили, что после возбуждения атомов примеси они релаксируют быстрее, чем считалось раньше. «Мы обнаружили интересную закономерность, – поясняет кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИФМ РАН Роман Хусейнович Жукавин. – Согласно теории каскадной релаксации, чем выше вы забрасываете электрон, тем дольше потом он опускается вниз по квантовым уровням. Но эксперимент показывает обратное – чем выше мы его подбрасываем, тем быстрее он возвращается. Похожие результаты получили наши коллеги в Дрездене на установке FELBE. Встает вопрос корректности интерпретации. Эксперимент дает только результат, а осознать его нужно будет теоретикам».

Василий Герасимов и Роман Жукавин

Для проведения этой серии экспериментов сотрудники ИФМ РАН и ИЯФ СО РАН в рамках гранта Министерства образования и науки РФ создали новую пользовательскую станцию «Накачка-зондирование» на ЛСЭ. Станция позволяет исследовать поведение разных образцов вещества после возбуждения при их охлаждении вплоть до температуры жидкого гелия. «Вы делите луч лазера на две части, одним вы возбуждаете вещество, а другой через оптическую линию задержки освещает этот же образец в том же месте», – пояснил доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, профессор НГУ Борис Александрович Кнзяев.

Преимуществом новосибирского ЛСЭ является возможность быстрой и плавной перестройки по длинам волны излучения. «Это уникальная возможность, – комментирует кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший преподаватель НГУ Юлия Юрьевна Чопорова. – Каждый электрон находится на своем основном уровне, для перехода в возбужденное состояние ему необходим определенный квант энергии, которому соответствует конкретная длина волны. ЛСЭ позволяет задать определенную длину волны излучения и посмотреть, как себя ведет каждый электрон. Когда мы слышим оркестр, это красиво, но мы не знаем, кто именно сейчас играет. Наш ЛСЭ позволяет слушать игру каждого инструмента в отдельности и разложить мелодию по всем октавам».

Юлия Чопорова 

Новосибирский лазер на свободных электронах – уникальная научная установка на базе первого в мире четырехдорожечного ускорителя-рекуператора, созданного в ИЯФ СО РАН. Он предназначен для генерации когерентного электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 5 до 240 микрон. По спектральной мощности излучения Новосибирский ЛСЭ в своем диапазоне длин волн на несколько порядков превосходит все существующие в мире источники, что позволяет проводить уникальные, не имеющие аналогов в мире, эксперименты.

Новосибирский ЛСЭ активно используется десятками исследовательских групп из российских и зарубежных организаций для мультидисциплинарных исследований в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения.