Bordács Sándor doktorjelölt. anyagtudományban. nyban. Dr. Kézsmárki István Prof. Yohinori Tokura Prof. Ryo Shimano

Bordács Sándor doktorjelölt Túl l a távoli t infrán: THz spektroszkópia pia az anyagtudományban nyban Dr. Kézsmárki István Prof. Yohinori Tokura Prof. Ryo Shimano

Terahertz sugárz rzás THz tartomány: frekvencia: 100 GHz 10 THz hullámhossz: 3 mm 30 μm 1 THz = 33,3 cm -1 = 4,1 mev = 48 K

Terahertz sugárz rzás s alkalmazása repülő téri biztonsági ellenőrzés orvosi képalkotás gyors adatátviteli rendszerek (Tb/s wireless) spektroszkópia: - molekulák forgási és lágy rezgési módusai (biomolekulák lassú, nagy amplitúdójú rezgései) - adalékolt félvezetők - szupravezetők - kollektív gerjesztések: spin hullámok, ferroelektromos anyagok lány módusai, CDW M. Tonouchi Nat Photonics 1 97(2007) M. Pepper, Teraview Ltd. M. Koch, TU Braunschweig N. Karpowicz et al. Applied Physics Letters 86, 054105 (2005)

Tartalom 1) Időfelbontásos terahertz spektroszkópia 2) THz spektroszkópia alkalmazása: molekulák rotációs spektroszkópiája makromolekulák gerjesztései szabad töltéshorozók véges frekvenciás kvantum Hall-effektus szupravezetők vizsgálata 3) Multiferro anyagok spin hullám gerjesztései

Terahertz sugárz rzás s keltése Dipól antenna LT-GaAs-en: LT-GaAs: -recombináció: τ rec =0.3 ps -mobilitás: μ=200 cm 2 /Vs (τ scat =30 fs) -gap: E g =840 nm ~10 V Ti:Sapphire LASER: -központi hullámhossz: λ=800 nm -impulzus szélesség: τ<100 fs j E THz t j( t) P( t t')[ en( t') v( t')] dt' [ ] eexp( t' / ) (1 exp( t' / Max rec scat )) 1 ~ =3 THz rec V d Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) L. Duvillaret et al. IEEE J. Sel. Top. Quant. Electronics. 7 615 (2001)

Terahertz sugárz rzás s keltése Ti:Sapphire @ 800nm 20 mw 60 V THz sugárzás 2-3 μw K. Sakai: Terahertz Optoelectronics Springer, Berlin (2005)

Terahertz sugárz rzás s koherens detektálása Dipól antenna: δ-impulzus: n(t) t τ rec E THz (t) j D ( t) eexp( t / ) exp( t' / rec t 0 scat ) e m E THz ( t t') dt' t Ti:sapphire 80 MHz Y. S. Lee, Springer, Berlin (2009)

Terahertz sugárz rzás s koherens detektálása Dipól antenna: δ-impulzus: n(t) t τ rec E THz (t) j D ( t) eexp( t / ) exp( t' / rec t 0 scat ) e m E THz ( t t') dt' t Nagy frekvenciás korlát: 1/τ rec ~3 THz Alacsony frekvenciás limit: diffrakció limitált leképezés Y. S. Lee, Springer, Berlin (2009)

Időfelbont felbontásos terahertz spektrométer ter N. Kida et al. Phys. Rev. B 78 104414 (2008)

Komplex THz spektrum Felbontás: legnagyobb időkülönbség határozza meg: ~0.05 THz Legnagyobb frekvencia: -antenna: ~3 THz -nemlineáris optika: ~10-100 THz Transzmisszió és fázis ismeghatározható Nincs szükség Kramers-Kronig transzformációra

Molekulák k ujjlenyomatai: rotáci ciós s spektrum Molekulák forgási energiája: 2 E ~ ~ THz MR 1 2 2 Víz gőz rotációs spektruma Nagyfelbontású (~1GHz) THz spektroszkópia: Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) A. Bartels et al., Opt Exp 14 430 (2006)

Poláros folyadékok és s makromolekulák dinamikája Víz molekulák lassú dinamikája: relaxáció: lassú (forgások, 10 ps), gyors (?, 10 fs) H kötések nyújtási rezgései (ω T /2π=5.6 THz) Mioglobin 2.25 THz Y. S. Lee: Principles of Terahertz Science and Technology Springer, Berlin (2009) J. Xu et al., J. Chem. Phys. 124 036101 (2006)

Félvezető szeletek érintésmentes minősítése se Adalékolt p-si szelet N D =4.2 10 15 cm -3 S. Nashima et al. J. Appl. Phys. 90 15 (2001)

Coulomb gáz g z időfejl fejlődése NIR pumpa THz próba spektroszkópia R. Huber et al., Nature 414 286 (2001)

THz kvantum Hall-effektus Tiszta minta határeset: xy n 2 e h 2 c 2 2 c T. Morimoto et al., Phys. Rev. Lett. 103 116803 (2009)

THz kvantum Hall-effektus Y. Ikebe et al., Phys. Rev. Lett. 104 256802 (2010)

Szupravezetők k elektrodinamikája: MgB 2 50 K 30 K 27 K 24 K 17.5 K 6 K 6 K 17.5 K 24 K 27 K 30 K 33 K BCS fit: 2 o =5 mev Gyenge csatolás: 2 o =3.5k B T C =9 mev Gap alatt kvázirészecske gerjesztés R. A. Kaindl et al., Phys. Rev. Lett. 88 027003 (2002)

Mágnesesen indukált ferroelektromosság Ba 2 CoGe 2 O 7 -ban P42 1 m Ba Co Ge O [001] [010] 4 [010] 2 1 m [100] [100] [001] Tetragonális szerkezet, mágneses rendeződés nélkül sem poláris sem királis Mágneses ion: Co 2+ (S=3/2) Négyzetrács, easy-plane antiferromágnes A. Zheludev et al., Phys. Rev. B 68 024428 (2003)

Mágnesesen indukált ferroelektromosság Ba 2 CoGe 2 O 7 -ban P P = 0 P H // [110] H // [100] H // [110] Spinfüggő hibridizáció: Co T. Arima, J. Phys. Soc. Jpn. 76 073702 (2007) H. Murakawa et al., Phys. Rev. Lett. 105 137202 (2010)

Spin gerjesztések sek kiválaszt lasztási si szabályai Inelasztikus neutron szórás: 0.5 THz-es módus érzéketlen az elektromos komponens irányára (hagyományos magon) 1 THz-es módus elektromosan és mágnesesen is gerjeszthető (elektromagnon) I. Kézsmárki et al., Phys. Rev. Lett. 106 057403 (2011) A. Zheludev et al., Phys. Rev. B 68 024428 (2003)

Optikai magneto-elektromos elektromos effektus a THz tartományban k M P A Maxwell egyenletek megoldása multiferro anyagokra: E ω P [001] E ω N N ' P [001] xz ' zx zz xx xx zz I. Kézsmárki et al., Phys. Rev. Lett. 106 057403 (2011)

Mágneses tér t által előid idézett kiralitás Ba 2 CoGe 2 O 7 -ban B ω B ω B ω B dc B dc B dc

Gerjesztések sek a THz tartományban Köszönöm m a figyelmet!