Lanzillotti Kimura, Norberto D. (2009) Dinámica de fonones acústicos en multicapas nanométricas / Acoustic phonon dynamics in nanometric multilayers. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los fonones acústicos juegan un rol esencial en las propiedades electrónicas y optoelectrónicas de los sólidos, y en particular de los semiconductores. Mediante su control coherente, lo cual constituye el tema central de esta tesis, podrían ser usados en nanoscopios basados en hipersonido, para procesar información, y para controlar luz y carga en la nanoescala y a ultra-altas frecuencias. La ingeniería de nuevos dispositivos para manipular y controlar vibraciones acústicas en sólidos es un tema de actualidad que será crucial para el desarrollo de aplicaciones en nanofonónica. La motivación de este trabajo consiste en desarrollar y estudiar dispositivos capaces de controlar la dinámica de fonones acústicos con frecuencias de GHz-THz y longitudes de onda de nanometros, que permitan evidenciar nuevos fenómenos físicos y aplicaciones. La Tesis presenta un estudio tanto experimental como teórico de la dinámica de fonones acústicos en multicapas especíıficamente diseñadas a la escala nanométrica por dispersión Raman y por generación coherente de fonones acústicos con láseres ultra-rápidos. Para el análisis y diseño de los sistemas estudiados, desarrollamos modelos que nos permitieron calcular las respuestas ópticas y acústicas de estructuras excitadas por pulsos láser ultracortos, y evaluar la sección eficaz Raman en las multicapas estudiadas. En primer lugar, estudiamos la dinámica de fonones acústicos de ultra-alta frecuencia (rango GHz-THz) en superredes y nanocavidades. Mediante experimentos de transmisión acústica demostramos los efectos de confinamiento tanto en el dominio frecuencial como en el dominio temporal. Analizamos también el desempeño de las superredes y nanocavidades como generadores y detectores de fonones acústicos coherentes orientados a la monocromaticidad. Finalmente, introduciendo una película metálica en una nanocavidad acústica demostramos que es posible amplificar o inhibir la generación o emisión de fonones desde la película metálica hacia el sustrato, de forma análoga al efecto Purcell estudiado en el contexto del electromagnetismo. Variando los espesores de un arreglo periódico cambian sus características de reflectividad. Basados en este principio, diseñamos, optimizamos y caracterizamos dispositivos fonónicos aperiódicos. Utilizando el método de optimización multivariable Nelder-Mead diseñamos filtros y espejos basados en multicapas aperiódicas. Realizamos un estudio experimental mediante dispersión Raman de tres dispositivos de hipersonido, y comparamos estos resultados con simulaciones realizadas utilizando un modelo fotoelástico. Fue posible reproducir las características principales de los espectros experimentales, dando cuenta de las potenciales aplicaciones de caracterización de muestras complejas mediante dispersión Raman de alta resolución. Asimismo, realizamos experimentos de transmisión de hiper- sonido utilizando técnicas de acústica de picosegundos, y validamos experimentalmente el concepto de filtros optimizados, evidenciando también el rol del transductor metálico utilizado y de la superficie libre en la respuesta del filtro. Por otro lado, propusimos el uso de microcavidades ópticas en experimentos de generación coherente de fonones acústicos con el fin de modificar la generación óptica de hipersonido, y en particular para amplificar las señales. Usando como estructura modelo una microcavidad óptica cuyo espaciador está formado por una nanocavidad acústica, evidenciamos los efectos de las resonancias electrónicas, ópticas y acústicas en el dominio espectral, mediante experimentos de dispersión Raman, y en el dominio temporal mediante experimentos de acústica de picosegundos. Observamos una amplificación de las señales asociada al comportamiento resonante del campo eléctrico dentro de la cavidad, y un cambio de las reglas de selección debido al carácter estacionario del mismo dentro del espaciador óptico. Analizamos tanto experimental como teóricamente por separado el efecto del confinamiento en la generación y en la detección de los fonones coherentes. La generación resulta máxima cuando se sintoniza resonantemente la energía del láser con el modo ’optico de cavidad, mientras que la detección se maximiza sintonizando al láser con las regiones de máxima derivada de la reflectividad óptica de la estructura. Con el fin de lograr la máxima amplificación óptica posible, y extendiendo conceptos estudiados en el contexto de la dispersión Raman, propusimos y demostramos la doble amplificación óptica, que consiste en elegir apropiadamente los ángulos de incidencia de los haces pump y probe de manera que ambos procesos, generación y detección, se encuentren en condición de máxima amplificación para la longitud de onda de trabajo. Finalmente realizamos un estudio teórico y experimental de las características del acoplamiento entre dos nanocavidades acústicas, y la influencia de las distintas variables de diseño. Demostramos una “molécula fonónicaçonstituída por dos cavidades acopladas, y observamos el desdoblamiento de los modos confinados a través de experimentos Raman de alta resolución. Incrementando el número de cavidades acopladas, identificamos los parámetros relevantes de estas estructuras, estableciendo las bases de una ingeniería de sistemas complejos basados en cavidades acústicas acopladas. Uno de los resultados más relevantes es la demostración experimental de la existencia de oscilaciones de Bloch y estados de Wannier-Stark de fonones acústicos en estructuras formadas por nanocavidades acopladas.
Resumen en inglés
Acoustic phonons play an essential rol in the electronic and optoelectronic properties of solids, and in particular of semiconductors. By means of its coherent control, which constitutes the central topic of this thesis, acoustic phonons could be used in nanoscopies based on hypersound, to process information, and to control light and charge in the nano-scale and with ultrahigh frequencies. The engineering of new devices to manipulate and control acoustic vibrations in solids is a research topic that will be crucial for the development of new applications in nanophononics. The main motivation of this work is to develop and study devices that are able to control the dynamics of acoustic phonon with frequencies in the GHz-THz range and wavelengths of a few nanometers, and that allow to demonstrate new physical phenomena and applications. The thesis presents an experimental study of acoustic phonons in specifically designed nanometer multilayers, by means of Raman scattering and acoustic phonon coherent generation techniques. For the design and analysis of the results we developed theoretical models and simulations that allowed us to calculate the optical and acoustic response of structures excited by ultrashort laser pulses, and to evaluate the Raman cross section in the studied multilayers. We study first the ultrahigh frequency acoustic phonon dynamics (GHz-THz range) in superlattices and nanocavities. By means of acoustic transmission experiments we demonstrate the cavity confinement effects in the frequency and time domains. We also analyze the performance of the superlattices and nanocavities as tailored coherent acoustic phonon generators and detectors oriented to monochromaticity. Finally, introducing a metallic film in an acoustic nanocavity we demonstrate that it is possible to enhance or to inhibit the phonon generation or emission from the metallic film into the substrate, through a mechanism analogue to the Purcell effect studied in the context of electromagnetism. Varying the thicknesses of a periodic layer array its reflectivity characteristics can be changed. Based on this principle we designed and optimized using the Nelder-Mead multivariable optimization method aperiodic phononic devices, specifically filters and mirrors. We performed an experimental study by means of Raman scattering of three hypersound devices, and compared these results with simulations using a photoelastic model. The simulations reproduce the basic characteristics of the experimental spectra, highlighting the potential application of high-resolution Raman scattering for the characterization of complex samples. Also, we performed hypersound transmission experiments using picosecond acoustic techniques, and experimentally validated the concept of optimized filters. The role of the metallic transducer and the free surface in the filter response is also addressed. We propose the use of optical microcavities to modify the hypersound optical generation, and particularly to enhance the signals, in coherent acoustic phonon generation experiments. Optical microcavity structures with the spacer formed by an acoustic nanocavity are studied. We demonstrate the effects of the electronic, optical and acoustic resonances by Raman scattering experiments in the spectral domain, and by picosecond acoustics experiments in the time domain. We observe an amplification of the signals associated to the resonant behaviour of the electromagnetic field within the cavity, and a change of the selection rules due to its stationary character within the optical spacer. We analyze, both experimentally and theoretically, the confinement effects on the coherent acoustic phonon generation and detection. The generation is maximum when the laser energy is resonantly tuned with the optical cavity mode, whereas the detection is maximized when the laser is tuned with the regions where the reflectivity derivative presents its maxima. To obtain the maximum achievable optical enhancement, and extending concepts studied in the context of Raman scattering, we propose and demonstrate double optical amplification. This consists of appropriately choosing the incidence angles of the pump and probe beams so that both processes, generation and detection, are in the maximum amplification condition for the chosen laser wavelength. Finally we perform a theoretical and experimental study of coupled acoustic nanocavities, analyzing the influence of the different design parameters. We present a phononic molecule constituted by two coupled nanocavities, and demonstrate the splitting of the confined modes through high-resolution Raman experiments. By increasing the number of coupled cavities we study the formation of hypersound bands and identify the relevant design parameters of these structures, establishing the fundamentals of a complex system engineering based on coupled acoustic cavities. One of the most important results in this context is the experimental demonstration of the existence of acoustic phonon Bloch oscillations and Wannier-Stark states in structures formed by connected nanocavities.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Acoustics; Acústica (Ciencia); Phonons; Fonones; Acoustic phonon; Fonones acústicos; Nanometric multilayers; Multicapas nanométricas |
| Materias: | Física Física > Nanotecnología |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Laboratorio de propiedades ópticas de los materiales |
| Código ID: | 80 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 19 May 2010 11:34 |
| Última Modificación: | 26 May 2010 11:06 |
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