A absorção de luz em cristais semicondutores sem simetria de inversão pode gerar correntes elétricas. Pesquisadores do Instituto Max Born já geraram correntes direcionadas em frequências terahertz (THz), muito maior do que as taxas de clock da eletrônica atual. Eles mostram que a transferência eletrônica de carga entre átomos vizinhos na estrutura cristalina representa o mecanismo subjacente.

As células solares convertem a energia da luz em corrente elétrica contínua (DC), que é alimentada em uma rede elétrica. As etapas principais são a separação das cargas após a absorção da luz e seu transporte para os contatos do dispositivo. As correntes elétricas são transportadas por portadores de carga negativa (elétrons) e positiva (buracos), realizando os chamados movimentos intrabanda em várias bandas eletrônicas do semicondutor. Do ponto de vista da física, as seguintes questões são essenciais:qual é a menor unidade em um cristal que pode fornecer uma corrente contínua foto-induzida (DC)? Até que freqüência máxima pode-se gerar tais correntes? Quais mecanismos em escala atômica são responsáveis ​​por esse transporte de carga?

A menor unidade de um cristal é a chamada célula unitária, um arranjo bem definido de átomos determinado por ligações químicas. A célula unitária do protótipo semicondutor GaAs é mostrada na Figura 1a e representa um arranjo de átomos de Ga e As sem um centro de inversão. No estado fundamental do cristal representado pela banda de valência eletrônica, os elétrons de valência estão concentrados nas ligações entre os átomos de Ga e As (Figura 1b). Após a absorção de luz infravermelha próxima ou visível, um elétron é promovido da banda de valência para a próxima banda superior, a banda de condução. No novo estado, a carga do elétron é desviada para os átomos de Ga (Figura 1b). Esta transferência de carga corresponde a uma corrente elétrica local, o interband ou shift current, que é fundamentalmente diferente dos movimentos do elétron nas correntes intrabanda. Até recentemente, tem havido um debate controverso entre os teóricos se as correntes fotoinduzidas experimentalmente observadas são devidas a movimentos intrabanda ou interband.

Pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim, Alemanha, investigaram as correntes de deslocamento induzidas opticamente no arsenieto de gálio semicondutor (GaAs) pela primeira vez em escalas de tempo ultrarrápidas até 50 femtossegundos (1 fs =10 ^-15 segundos). Eles relatam seus resultados na edição atual da revista. Cartas de revisão física 121, 266602 (2018). Usando ultracurto, pulsos de luz intensa do infravermelho próximo (λ =900 nm) para o visível (λ =650 nm, cor laranja), eles geraram correntes de deslocamento em GaAs que oscilam e, portanto, emitem radiação terahertz com largura de banda de até 20 THz (Figura 2). As propriedades dessas correntes e os movimentos dos elétrons subjacentes são totalmente refletidos nas ondas THz emitidas, que são detectadas em amplitude e fase. A radiação THz mostra que as rajadas de corrente ultracurtas de luz retificada contêm frequências que são 5000 vezes mais altas do que a taxa de clock mais alta da tecnologia de computador moderna.

As propriedades das correntes de deslocamento observadas excluem definitivamente um movimento intrabanda de elétrons ou buracos. Em contraste, cálculos de modelo baseados na transferência interband de elétrons em uma estrutura de banda de pseudo-potencial reproduzem os resultados experimentais e mostram que uma transferência de elétrons no espaço real ao longo da distância na ordem de um comprimento de ligação representa o mecanismo chave. Este processo é operativo dentro de cada célula unitária do cristal, ou seja, em uma escala de comprimento sub-nanométrico, e causa a retificação do campo óptico. O efeito pode ser explorado em frequências ainda mais altas, oferecendo novas aplicações interessantes em eletrônica de alta frequência.