低电子密度Drude材料的光学非线性的基于电子的模型
光学
2024-04-15 v3
摘要
低电子密度Drude（LEDD）材料，如氧化铟锡（ITO），因其与CMOS的兼容性、独特的epsilon-near-zero（ENZ）行为以及巨大的超快非线性热光响应而受到相当关注。然而，目前对LEDD材料电子与光学响应的理解基于贵金属材料已知模型的简单推广，常常未考虑较低电子密度、相对较高Debye能量与非抛物带结构之间的相互作用。为弥补这一知识空白，本工作提供了对LEDD材料非线性电子-热-光学响应的完整理解。具体而言，我们依赖于最先进的电子动力学建模，以及新推导的绝热近似下光泵浦LEDD材料的时间依赖介电常数模型。我们发现，与贵金属不同，电子温度可达到Fermi温度，此时有效化学势急剧下降甚至变为负值，从而将Drude金属瞬态转变为半导体。我们进一步表明，LEDD材料源于介电常数实部变化的光学非线性响应是由非热电子的产生所致。这解决了关于介电常数上升时间的争论，并表明其为瞬时的。就此而言，我们指出将LEDD介电常数称为具有“可饱和”非线性是不合适的，因为其介电常数动力学并非源于粒子数反转。最后，我们分析了探测脉冲动力学，并与先前工作不同，我们获得了与近期实验结果定量的吻合。
引用
@article{arxiv.2210.08504,
title = {An electronic-based model of the optical nonlinearity of low-electron-density-Drude materials},
author = {Ieng Wai Un and Subhajit Sarkar and Yonatan Sivan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.08504},
year = {2024}
}