Tunneling transport in semiconductor nanostructures considering the presence of a weak time-dependent electromagnetic field: Lewis–Riesenfeld approach

Автор(и)

  • I. V. Boyko Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil 46001, Ukraine
  • Ju. O. Seti Lviv Polytechnic National University, Lviv 79013, Ukraine

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0042294

Ключові слова:

quasistationary states, electron tunnel transport, quantum mechanical invariant, resonance energy, resonance width

Анотація

Запропоновано квантово-механічну теорію електронного транспорту в напівпровідникових резонансно-тунельних структурах за умови впливу на процес тунелювання слабкого нетаціонарного електромагнітного поля та зовнішнього постійного електричного поля. Теорія розвинута шляхом побудови точних розв’язків повного рівняння Шредінгера з використанням методу Льюїса–Різенфельда, адаптованого до квазістаціонарних станів. Досліджено резонансні енергії та ширини квазістаціонарних електронних станів, а також їх еволюцію у часі з використанням параметрів активної зони квантового каскадного лазера. Шляхом розрахунків коефіцієнта прозорості наносистеми у різні моменти часу, які зумовлені релаксаційними процесами, проаналізовано процеси розпаду електронних квазістаціонарних станів у досліджуваній наносистемі та встановлені механізми цього процесу.

Посилання

C. Song, M. Salih, L. H. Li, J. Mangeney, J. Tignon, A. G. Davies, E. H. Linfield, and S. Dhillon, “High–power density, single plasmon, terahertz quantum cascade lasers via transverse mode control,” Appl. Phys. Lett. 122, 121108 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0142359

A. Cargioli, D. Piciocchi, M. Bertrand, J. Faist, and G. Scalari, “Fast Fourier transform spectroscopy with broadband frequency combs,” Appl. Phys. Lett. 125, 131103 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0226044

F. Jia, S. J. Addamane, J. L. Reno, and S. Kumar, “High–power 2.2 THz quantum–cascade laser with sixth–order distributed–feedback,” Appl. Phys. Lett. 126, 261101 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0273563

H. Machhadani, M. Tchernycheva, S. Sakr, L. Rigutti, R. Colombelli, E. Warde, C. Mietze, D. J. As, and F. H. Julien, “Intersubband absorption of cubic GaN/Al(Ga)N quantum wells in the near-infrared to terahertz spectral range,” Phys. Rev. B 83, 075313 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.075313

N. C. Giebink, G. P. Wiederrecht, M. R. Wasielewski, and S. R. Forrest, “Thermodynamic efficiency limit of excitonic solar cells,” Phys. Rev. B 83, 195326 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.195326

Y. Cho, J. Encomendero, S.-T. Ho, H. G. Xing, and D. Jena, “N-polar GaN/AlN resonant tunneling diodes,” Appl. Phys. Lett. 117, 143501 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0022143

Y. Zhou, R. Ahsan, H. U. Chae, R. Kapadia, and P. Zhang, “Theoretical analysis of resonant tunneling enhanced field emission,” Phys. Rev. Appl. 20, 014043 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.014043

A. Demić, A. Valavanis, P. Dean, L. Li, A. G. Davies, E. H. Linfield, J. Cunningham, J. Bailey, A. Akimov, A. Kent, and P. Harrison, “Acoustic band engineering in terahertz quantum-cascade lasers and arbitrary superlattices,” Phys. Rev. B 107, 235411 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.235411

S. Kohen, B. S. Williams, and Q. Hu, “Electromagnetic modeling of terahertz quantum cascade laser waveguides and resonators,” J. Appl. Phys. 97, 053106 (2005). https://doi.org/10.1063/1.1855394

D. O. Winge, E. Dupont, and A. Wacker, “Ignition of quantum cascade lasers in a state of oscillating electric field domains,” Phys. Rev. A 98, 023834 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.023834

M. Mohammed, A. S. Verhulst, D. Verreck, M. L. Van de Put, W. Magnus, B. Sorée, and G. Groeseneken, “Phonon-assisted tunneling in direct-bandgap semiconductors,” J. Appl. Phys. 125, 015701 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5044256

U. Aeberhard, “Theoretical investigation of direct and phonon-assisted tunneling currents in InAlGaAs/InGaAs bulk and quantum-well interband tunnel junctions for multijunction solar cells,” Phys. Rev. B 87, 081302(R) (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.081302

S. Fathololoumi, E. Dupont, Z. R. Wasilewski, C. W. I. Chan, S. G. Razavipour, S. R. Laframboise, S. Huang, Q. Hu, D. Ban, and H. C. Liu, “Effect of oscillator strength and intermediate resonance on the performance of resonant phonon-based terahertz quantum cascade lasers,” J. Appl. Phys. 113, 113109 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4795614

C. Jirauschek and T. Kubis, “Modeling techniques for quantum cascade lasers,” Appl, Phys. Rev. 1, 011307 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4863665

R. Benchamekh, J.-M. Jancu, and P. Voisin, “Potential-inserted quantum well design for quantum cascade terahertz lasers,” Phys. Status Solidi RRL 11, 1600334 (2017). https://doi.org/10.1002/pssr.201600334

H. R. Lewis, Jr. and W. B. Riesenfeld, “An exact quantum theory of the time-dependent harmonic oscillator and of a charged particle in a time-dependent electromagnetic field,” J. Math. Phys. 10, 1458 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1664991

A. L. de Lima, A. Rosas, and I. A. Pedrosa, “On the quantum motion of a generalized time-dependent forced harmonic oscillator,” Ann. Phys. 323, 2253 (2008). https://doi.org/10.1016/j.aop.2007.12.006

I. A. Pedrosa and D. A. P. de Lima, “Coherent states and geometric phases of a generalized damped harmonic oscillator with time-dependent mass and frequency,” Int. J. Mod. Phys. B 28, 1450177 (2014). https://doi.org/10.1142/S021797921450177X

I. A. Pedrosa, “Adiabatic and nonadiabatic evolution of a generalized damped harmonic oscillator,” Mod. Phys. Lett. A 36, 2150201 (2021). https://doi.org/10.1142/S0217732321502011

B. F. Ramos, I. A. Pedrosa, and A. L. de Lima, “Lewis and riesenfeld approach to time-dependent non-hermitian hamiltonians having PT symmetry,” Eur. Phys. J. Plus 133, 449 (2018). https://doi.org/10.1140/epjp/i2018-12251-3

A. Fring and R. Tenney, “Lewis–riesenfeld invariants for PT-symmetrically coupled oscillators from two-dimensional point transformations and Lie algebraic expansions,” J. Math. Phys. 63, 123509 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0110312

I. Boyko, M. Petryk, and N. Lebovka, “Application of the lewis–riesenfeld quantum mechanical invariant method for description of electron tunneling transport in nitride multilayer quantum well nanostructures,” Phys. Lett. A 489, 129152 (2023). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2023.129152

I. Boyko, M. Petryk, and N. Lebovka, “Tunnel transport problem for open multilayer nitride nanostructures with an applied constant magnetic field and time-dependent potential: An exact solution,” Phys. Rev. B 110, 045438 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.045438

O. Spitz, J. Wu, M. Carras, C.-W. Wong, and F. Grillot, “Low-frequency fluctuations of a mid-infrared quantum cascade laser operating at cryogenic temperatures,” Laser Phys. Lett. 15, 116201 (2018). https://doi.org/10.1088/1612-202X/aadc5a

Y. Ren, D. Zhang, Z. Wang, K. Zhou, J. Zhong, D. Liu, W. Miao, W. Zhang, and S. Shi, “Quantum cascade laser based, fiber coupled demultiplexed mid-infrared local oscillator for cryogenic applications,” Appl. Phys. Lett. 116, 131108 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5145131

H. Bekkar, F. Benamira, and M. Maamache, “Comment on “solution of the schrödinger equation for the time-dependent linear potential,” Phys. Rev. A 68, 016101 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.68.016101

C. W. I. Chan, Q. Hu, and J. L. Reno, “Tall-barrier terahertz quantum cascade lasers,” Appl. Phys. Lett. 103, 151117 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4824878

I. Boyko and M. Petryk, “Tunneling transport in open nitride resonant tunneling structures taking into account the acoustic phonons: A variational approach,” Phys. B: Condens. Matter 636, 413862 (2022). https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413862

J. Zou and A. Balandin, “Phonon heat conduction in a semiconductor nanowire,” J. Appl. Phys. 89, 2932 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1345515

J. Z. Kamiński and E. Saczuk, “Resonant tunneling in laser and constant electric fields,” Acta Phys. Pol. A 122, 53 (2012). https://doi.org/10.12693/APhysPolA.122.53

Downloads

Опубліковано

2025-12-23

Як цитувати

(1)
I. V. Boyko and Ju. O. Seti, Tunneling transport in semiconductor nanostructures considering the presence of a weak time-dependent electromagnetic field: Lewis–Riesenfeld approach, Low Temp. Phys. 52, (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 187–199, (2025)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0042294.

Номер

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.