Scalable high-repetition-rate sub-half-cycle terahertz pulses from spatially indirect interband transitions

太赫兹辐射 载波包络相位 光电子学 阿秒 量子隧道 电子 电场 光学 物理 材料科学 激光器 超短脉冲 量子力学
作者
Christian Meineke,M. Prager,Johannes Hayes,Qiannan Wen,Lukas Z. Kastner,D. Schuh,Kilian Fritsch,Oleg Pronin,Markus Stein,F. P. Schäfer,Sangam Chatterjee,M. Kira,Rupert Huber,Dominique Bougeard
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:11 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41377-022-00824-6
摘要

Intense phase-locked terahertz (THz) pulses are the bedrock of THz lightwave electronics, where the carrier field creates a transient bias to control electrons on sub-cycle time scales. Key applications such as THz scanning tunnelling microscopy or electronic devices operating at optical clock rates call for ultimately short, almost unipolar waveforms, at megahertz (MHz) repetition rates. Here, we present a flexible and scalable scheme for the generation of strong phase-locked THz pulses based on shift currents in type-II-aligned epitaxial semiconductor heterostructures. The measured THz waveforms exhibit only 0.45 optical cycles at their centre frequency within the full width at half maximum of the intensity envelope, peak fields above 1.1 kV cm-1 and spectral components up to the mid-infrared, at a repetition rate of 4 MHz. The only positive half-cycle of this waveform exceeds all negative half-cycles by almost four times, which is unexpected from shift currents alone. Our detailed analysis reveals that local charging dynamics induces the pronounced positive THz-emission peak as electrons and holes approach charge neutrality after separation by the optical pump pulse, also enabling ultrabroadband operation. Our unipolar emitters mark a milestone for flexibly scalable, next-generation high-repetition-rate sources of intense and strongly asymmetric electric field transients.

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