Generación de detección óptica de fonones coherentes en nanoestructuras

El presente trabajo de tesis se sitúa dentro del marco de la nanofonónica, disciplina en pleno desarrollo que tiene como motivación el diseño y estudio de nanoestructuras con propiedades acústicas específicas. La técnica experimental principal es la acústica de picosegundos, que consiste en generar y detectar vibraciones coherentes en materiales sólidos a partir de pulsos ópticos ultra-breves (aproximadamente 100 fs de duración). El rango frecuencial de las vibraciones estudiadas se extiende desde algunos cientos de gigahertz hasta el terahertz, lo cual las hace particularmente interesantes para aplicaciones de modulación en dispositivos electrónicos y opto-electrónicos. Los sistemas estudiados consisten en nanoestructuras planares semiconductoras (multicapas) basadas en GaAs y AlAs. La contribución que presentamos aquí se centra en la manipulación espectral de las respuestas de los procesos de generación y de detección óptica de vibraciones en nanoestructuras. Hemos desarrollado dos líneas de trabajo. Una de ellas está abocada a la optimización del acuerdo espectral entre ambos procesos. La frecuencia acústica correspondiente a la máxima eficiencia de transducción luz-sonido en una superred (apilamiento periódico de bicapas de GaAs/AlAs) no coincide con la frecuencia de mayor sensibilidad del proceso de detección. Cada una de estas respuestas espectrales está determinada principalmente por el espesor de la bicapa que compone la celda unidad de la superred. Para optimizar el solapamiento espectral entre los procesos de generación y de detección, nos hemos servido de una nanoestructura consistente en dos superredes diferentes separadas por una gruesa capa intermedia. Los fonones son generados por un pulso óptico en una de las superredes se propagan a lo largo de la capa intermedia y arriban a la otra superred ubicada en el extremo opuesto de la muestra donde son detectados. Un gradiente de espesores en las capas que componen la segunda superred permiten sintonizar su respuesta espectral de detección a la frecuencia de las vibraciones generadas en la primera. A su vez, el efecto de la sintonización puede analizarse en detalle variando la posición de incidencia de los pulsos ópticos respecto del gradiente de espesores. Hemos verificado un aumento considerable de la sensibilidad experimental en condición de máximo acuerdo espectral. Estimamos que la amplificación de la señal en dicho caso se eleva a un factor 50. El estudio se llevó a cabo sobre dos muestras que diferían principalmente en el espesor de la capa intermedia. Para la muestra más delgada (capa intermedia de 1 #mu#m) efectos extrínsecos originados en la absorción incompleta de la luz no permitieron el desacoplamiento óptico entre las dos superredes. La optimización del solapamiento espectral entre los procesos de generación y de detección quedó en cierto modo “enmascarada" por estos efectos adicionales. Fue necesario recurrir al cálculo numérico para extraer una medida cuantitativa del efecto del solapamiento. Sin embargo, esto dio lugar a la identificación y el análisis de numerosos efectos propios de una muestra delgada, principalmente, las alteraciones que la reflexión de la luz en las caras de la muestra induce sobre las respuestas de generación y de detección. La muestra más gruesa (capa intermedia de 350 #mu# m) permitió evitar estos inconvenientes, dando una medida más directa del efecto de solapamiento espectral propuesto. La vida media de las vibraciones generadas y los posibles canales de decaimiento también fueron analizadas. Hemos identificado la dispersión por portadores fotoexcitados y los decaimientos anarmónicos como responsables de tiempos de vida media del orden de 300-800 ps. La otra línea refiere al control de las propiedades de transducción luz-sonido y sonido-luz de una nanoestructura. La herramienta de control consiste en la elección de la longitud de onda óptica respecto de las transiciones entre estados electrónicos confinados de los pozos cuánticos que componen la muestra. Ésta presenta el interés adicional de tratarse de una nanocavidad acústica, estructura que permite confinar y amplificar sonido en una región específica del espacio. Hemos encontrado que bajo excitación óptica resonante con la transición electrónica fundamental de los pozos cuánticos que componen los espejos acústicos de la nanocavidad, se generan vibraciones extendidas a lo largo de toda la nanoestructura. En cambio, cuando la excitación óptica es resonante con la transición fundamental del pozo cuántico central de la estructura (de características particulares), resulta posible generar selectivamente los modos de cavidad. Desde el punto de vista espectral, en el primer caso las vibraciones presentan variadas componentes frecuenciales, mientras que en el segundo la nanocavidad actúa como una fuente cuasi-monocromática de fonones. De igual manera, la respuesta de detección también puede fijarse de modo que el proceso resulte selectivo a aquellas frecuencias correspondientes a los modos de la nanocavidad. En la segunda condición de excitación óptica hemos obtenido la generación de dos modos de cavidad. Hemos estudiado a su vez sus tiempos de decaimiento, hallando un tiempo inferior al dictado por el confinamiento en el caso del modo de mayor energía, y un tiempo superior al teórico para el modo de menor energía. Esto ha sugerido la hipótesis aún abierta del decaimiento estimulado del modo superior hacia el inferior. Resultados de dispersión Raman sustentan esta hipótesis