Studies

Terahertz (THz) imaging is a powerful technology suitable for a large variety of applications [Gintaras Valušis, Alvydas Lisauskas, Hui Yuan, Wojciech Knap and Hartmut G. Roskos, Roadmap of Terahertz Imaging 2021 (Review), Sensors, 2021, Special Issue "Terahertz Imaging and Sensors", Vol. 21, art. no. 4092, 51 page]. Further development of compact THz imaging systems requires strong reduction of emitters dimensions still keeping sufficient enough gain values.

This doctoral research project will be dedicated to the experimental investigation and numerical modelling of the super-superlattice based compact electronic amplifiers for operation in imaging systems important GHz-THz frequency domains. The point of departure is very recent publication (Vladislovas Čižas, Liudvikas Subačius, Natalia V. Alexeeva, Dalius Seliuta, Timo Hyart, Klaus Köhler, Kirill N. Alekseev and Gintaras Valušis, Dissipative Parametric Gain in a GaAs/AlGaAs Superlattice, Phys. Rev. Lett. 2022, Vol. 128, art. no. 236802, 7 pages (Editors‘ Suggestion); doi:10.1103/PhysRevLett.128.236802.) where it was shown that electromagnetic wave converted into slowly (about 1000 times slower that the speed of light) propagating electrostatic wave in GaAs/AlGaAs wideband superlattice can essentially (two orders of magnitude) increase the parametric gain under regime of Esaki-Tsu nonlinearity. However, further developments are prevented by the Kroemer criterion – optimization can be done by the increase of the length of the superlattice structure, however, it causes undesirable instabilities.

Hereby we aim to design, fabricate and investigate GaAs/AlGaAs super-superlattice structure (conventional superlattice which period is additionally modulated by heavily doped layers) which can prevent formation of high electric field domains in the structure. The study includes structural and optical characterization of the structures, high-frequency noise properties as well as GHz and THz experiments for search in determination optimal conditions for parametric and Bloch gain. Experiments will be followed by relevant theoretical models described previously (Bloch gain [Timo Hyart, Natalia V. Alexeeva, Jussi Mattas, and Kirill N. Alekseev, Terahertz Bloch Oscillator with a Modulated Bias, Phys. Rev. Lett., 2009, Vol. 102, art. no. 140405], parametric amplification in miniband [Timo Hyart, Alexey V. Shorokhov, and Kirill N. Alekseev, Theory of Parametric Amplification in Superlattices, Phys. Rev. Lett., 2007, Vol. 98, art. no. 220404).

It is supposed that the doctorant will contribute along the listed lines experimentally, simultaneously receiving strong theoretical support on features of quantum super-superlattices.

Terahercinis (THz) vaizdinimas yra plačiai vystoma technologija, tinkanti įvairiems pritaikymams [Gintaras Valušis, Alvydas Lisauskas, Hui Yuan, Wojciech Knap ir Hartmut G. Roskos, Roadmap of Terahertz Imaging 2021 (Review), Sensors, 2021, Special Issue "Terahertz Imaging and Sensors", Vol. 21, art. no. 4092, 51 page]. Tolimesniam kompaktiškų THz vaizdinimo sistemų kūrimui viena iš pagrindinių užduočių yra sumažinti emiterių matmenis, bet kartu išlaikant pakankamai aukštas stiprinimo vertes.

Šis doktorantūros tyrimo projektas bus skirtas super-supergardelių kompaktiškų elektroninių stiprintuvų, skirtų naudoti vaizdinimo sistemose GHz-THz dažnių ruože, eksperimentiniam tyrimui ir jų skaitmeniniam modeliavimui. Išeities taškas – visai neseniai publikuotas darbas (Vladislovas Čižas, Liudvikas Subačius, Natalia V. Alexeeva, Dalius Seliuta, Timo Hyart, Klaus Köhler, Kirill N. Alekseev and Gintaras Valušis, Dissipative Parametric Gain in a GaAs/AlGaAs Superlattice, Phys. Rev. Lett. 2022, Vol. 128, art. Nr. 236802, 7 pages (Editors‘ Suggestion); doi:10.1103/PhysRevLett.128.236802.), kuriame buvo parodyta, kad elektromagnetinė banga konvertuota į lėtai, apie 1000 kartų lėčiau nei šviesos greitis medžiagoje, sklindančią elektrostatinę bangą plačios minijuostos GaAs/AlGaAs supergardelėje gali iš esmės (dviem eilėmis) padidinti parametrinį stiprinimą, jei supergardelė yra Esaki-Tsu netiesiškumo režime. Tačiau tolesnei plėtrai užkerta kelią Kroemerio kriterijus – darbo režimą optimizuoti galima didinant supergardelės struktūros ilgį, tačiau tai sukelia nepageidaujamus nestabilumus struktūrose.

Šiame darbe sieksime suprojektuoti, pagaminti ir ištirti GaAs/AlGaAs super-supergardelės struktūrą (įprastinę supergardelę, kurios periodą papildomai moduliuoja stipriai legiruoti sluoksniai), kuri gali užkirsti kelią stipraus elektrinio lauko domenų susidarymui struktūroje. Tyrimas apima struktūrinį ir optinį super-supergardelių tyrimą, aukšto dažnio triukšmo savybes, taip pat GHz ir THz eksperimentus, ieškant optimalių parametrinio ir Blocho stiprinimo sąlygų. Eksperimentams aprašyti bus taikomi atitinkami anksčiau aprašyti teoriniai modeliai (Bloch gain [Timo Hyart, Natalia V. Alexeeva, Jussi Mattas ir Kirill N. Alekseev, Terahertz Bloch Oscillator with a Modulated Bias, Phys. Rev. Lett., 2009, Vol. 102, art. Nr. 140405], parametrinis stiprinimas minijuostoje [Timo Hyart, Alexey V. Shorokhov ir Kirill N. Alekseev, Theory of Parametric Amplification in Superlattices, Phys. Rev. Lett., 2007, T. 98, str. Nr.220404).

Manoma, kad doktorantas eksperimentiškai tirs minėtus darinius, ir kartu įgys tvirtų teorinių žinių apie kvantines puslaidininkines struktūras bei super-supergardeles.