Vers les lasers THz à boîtes quantiques
L’obtention d’émetteurs dans la gamme THz est un enjeu majeur en opto-électronique. Un consortium européen, dont font partie des chercheurs du LPA-ENS, vient de montrer qu’une inversion de population efficace dans les boîtes quantiques de semiconducteurs est réalisable dans la gamme THz, ouvrant la voie à l’utilisation de ces nano-objets cristallins dans ce domaine spectral en plein essor.
Les lasers à cascade quantique (QCL) sont des dispositifs unipolaires qui émettent dans une vaste gamme de fréquences comprise entre les THz et l’infrarouge proche. Dans les lasers actuels, réalisés à base de puits quantiques de semiconducteurs, l’inversion de population a lieu entre deux sous-bandes électroniques. Toutefois, la présence de continuums électroniques bi-dimensionnels favorise les mécanismes nuisibles de désexcitation non-radiative (comme les diffusion inter sous-bandes assistées par des défauts statiques ou phonons). L’utilisation de boîtes quantiques comme milieu actif présente un intérêt majeur : leurs états électroniques sont discrets. Il en résulte que si leurs temps de vie non-radiatifs sont longs, le processus d’inversion de population devrait être facilité et les valeurs de densités de courant-seuil notablement inférieures à celles des lasers actuels.
La minimisation de la désexcitation non-radiative des électrons est un paramètre clef dans l’optimisation de l’émission laser. L’existence d’un mécanisme polaronique (i.e., faisant intervenir le couplage fort entre électrons et phonons Longitudinaux Optiques) et son rôle dans la relaxation avait été établi au LPA-ENS pour les boîtes quantiques auto-organisées InAs/GaAs de « petite » taille (10 nm), où l’énergie ∆ à relaxer était comparable à l’énergie d’un phonon optique 
LO ( = 36 meV). Mais, très peu était connu sur le régime ∆ << LO qui caractérise la gamme THz du spectre électromagnétique. Les efforts conjoints des chercheurs de l’Université de Sheffield, du Forschungzentrum de Dresde et du LPA-ENS ont permis d’atteindre une compréhension quantitative de ces mécanismes de relaxation dans les boîtes quantiques « de grandes dimensions» pour les applications THz.
Les équipes de Sheffield et Dresde ont effectué une série de mesures pompe – sonde en utilisant un laser à électron libre. Les résultats montrent une augmentation spectaculaire (de 50 ps à quelques ns) du temps de vie de l’état excité lorsque ∆ décroît de 50 meV à 10 meV (≈ 2.4 THz). La théorie de la relaxation énergétique dans les boîtes quantiques a été effectuée au LPA-ENS. Elle prend en compte la nature polaronique des états de ces boîtes et tient compte de l’anharmonicité des vibrations dans l’évaluation du temps de vie des états excités. Le résultat de la désintégration d’un polaron excité est un électron dans l’état fondamental de la boîte quantique et deux phonons acoustiques. On montre ainsi que la fréquence de relaxation depuis l’état excité décroît considérablement lorsque ∆ diminue vers la gamme THz.
L’accord théorie – expérience est excellent et l’on dispose désormais d’une description satisfaisante de la relaxation énergétique dans les boîtes quantiques de toutes tailles. Ces études closent de manière spectaculaire un débat d’une quinzaine d’années autour de la nature de la relaxation de l’énergie dans les boîtes quantiques de semiconducteurs. Prospectivement, elles ouvrent la voie à des applications de ces nano-objets dans la conception de nouveaux dispositifs opto-électroniques fonctionnant dans une gamme spectrale en plein essor.
Référence : Long lifetimes of quantum-dot intersublevel transitions in the terahertz range ; E. A. Zibik , T. Grange, B. A. Carpenter, N. E. Porter, R. Ferreira, G. Bastard, D. Stehr, S. Winner, M. Helm, H. Y. Liu, M. S. Skolnick & L. R. Wilson ; Nature Materials 16 Aug 2009
Contact : robson.ferreira@lpa.ens.fr
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