THz Superradiance from a GaAs: ErAs Quantum Dot Array at Room Temperature

Abstract

We report experimental evidence that an ErAs quantum-dot array in a GaAs matrix under 1550 nm pulsed excitation produces cooperative spontaneous emission-Dicke superradiance-in the terahertz frequency region at room temperature.In 1954 Dicke proposed that cooperative spontaneous emission could occur among a collection of dipoles through interaction with a common electromagnetic radiation field 1, .He named the phenomenon "superradiance," which was subsequently observed in atomic/molecular systems 2 , and in quantum dot systems 3 . To date, almost all of these systems are either extended media or require a pencil-shaped (i.e., high directivity) beam. In this letter, we present evidence of cooperative spontaneous emission from the dipoles of a quantum dot (QD) array in a volume smaller than or comparable to the wavelength of radiation.The ErAs QD array in GaAs was obtained by growing a GaAs epitaxial layer heavily doped with erbium on a semi-insulating GaAs substrate by molecular beam epitaxy (MBE) ( Fig. 1 (a)). The thickness of the epilayer was L=2 μm, and the Er doping ~8.8x10 20 cm -3 such that the erbium incorporated into the GaAs in the form of ErAs quantum dots. This was proven by transmission-electron-microscope (TEM) imagery ( Fig. 1 (b)). The most likely diameter is estimated to be~2.0 nm, and the density of quantum dots is nQD~1×10 18 /cm 3 .

Генерация Предельно Коротких Импульсов Терагерцового Излучения На Основе Сверхизлучения Трехуровневой Резонансной Среды

“…Ввиду большого радиуса орбит следует ожидать больших значений дипольных моментов переходов (сотнитысячи Дебай [35]). Также для генерации ТГц излучения могут применяться квантовые точки [21,37] и квантовокаскадные лазеры [38][39][40][41][42][43][44], которые могут иметь большие значения дипольных моментов переходов (десяткисотни Дебай). Учитывая это обстоятельство, ниже в нашем анализе мы рассмотрим резонансные переходы, имеющие дипольные моменты в десятки Дебай (конкретные значения даны в таблице).…”

“…Учитывая это обстоятельство, ниже в нашем анализе мы рассмотрим резонансные переходы, имеющие дипольные моменты в десятки Дебай (конкретные значения даны в таблице). Также отметим, что экспериментально ТГц излучение на основе сверхизлучения ансамбля квантовых точек было получено в работе [21]. А квантово-каскадные лазеры хорошо описываются трехуровневой моделью [39].…”

“…Генерация импульса ТГц излучения происходит за счет коллективного излучения сфазированного ансамбля частиц. При этом все частицы вносят идентичный вклад в генерацию, что позволяет ожидать высокую эффективность генерации, как показано в работе [21]. Рассчитанная энергетическая эффективность генерации при рассмотренных параметрах составляет 10 −5 −10 −4 .…”

“…Для экспериментального наблюдения эффекта, на наш взгляд, можно использовать колебательные переходы в молекулах [32][33][34][35], ридберговские атомы [35], квантовые точки [21,37] и ТГц квантово-каскадные лазеры [38][39][40][41][42][43][44]. Известно, что в таких лазерах сложно получить импульсную генерацию в ТГц диапазоне в виду малости времен релаксации носителей [38][39][40][41][42][43][44].…”

“…Сверхизлучение было предсказано Дике в середине прошлого века [8] и впоследствии изучалось во многих системах (атомах, молекулах, спинах), см. [9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22] и приведенную литературу и в частности в квантовых точках [18][19][20][21]. И хотя в настоящее время термин " сверхизлучение" имеет более широкий смысл [16], ниже мы будем использовать первоначальное определение Дике, принимая во внимание именно тот факт, что система должна быть инвертирована.…”