AlGaN/GaN 基光栅门等离激元晶体的极端太赫兹非线性
光学
2025-03-05 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
我们提出了一种通过在光栅门等离激元晶体中共振激发二维等离激元来增强太赫兹非线性的新方法。利用高电场太赫兹泵浦-太赫兹探测技术，我们研究了光谱狭窄的太赫兹脉冲与集成在 AlGaN/GaN 界面上的金属光栅中的二维电子气的等离激元振荡之间的非线性相互作用。非线性效应表现为太赫兹透射率的超快、泵浦诱导变化，其相对透明度强烈依赖于等离激元模式激发，并在约 200 nJ cm-2 的泵浦通量下达到饱和。在 2DEG 浓度的强静电调制下，局域等离激元模式的共振激发使得最大相对透明度在 350 nJ cm-2 时达到 45%。瞬态动力学揭示了 15-20 ps 的超快弛豫时间，且该效应在高达 150 K 的升温条件下仍可观察到。基于时域有限差分电动力学模拟与粘性流体动力学电子输运模型相耦合的等离激元晶体非线性模型，阐明了关键的非线性机制，包括金属光栅下的近场效应、电子加热、等离激元共振展宽和红移。这些结果表明，即使是 AlGaN/GaN 等常规半导体也能实现与石墨烯相当或超过石墨烯的非线性太赫兹响应，在超快太赫兹调制和非线性光子学应用中展现出巨大潜力。
引用
@article{arxiv.2503.02562,
title = {Extreme Terahertz Nonlinearity of AlGaN/GaN-based Grating-Gate Plasmonic Crystals},
author = {Pavlo Sai and Vadym V. Korotyeyev and Dmytro B. But and Maksym Dub and Dmitriy Yavorskiy and Jerzy Łusakowski and Mateusz Słowikowski and Serhii Kukhtaruk and Yurii Liashchuk and Jeong Woo Han and Christoph Böttger and Alexej Pashkin and Stephan Winnerl and Wojciech Knap and Martin Mittendorff},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.02562},
year = {2025}
}