High-order harmonic generation in graphene and carbon nanotubes
- Autores: Óscar Zurrón Cifuentes
- Directores de la Tesis: Luis Plaja Rustein (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pablo Manuel Moreno Pedraz (presid.), Antonio Picon Alvarez (secret.), Koichiro Tanaka (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Aplicada y Tecnología por la Universidad de Salamanca
- Materias:
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- Resumen
- español
Esta tesis presenta un estudio teórico exhaustivo del proceso de generación de armónicos de orden alto (HHG) inducidos por pulsos láser infrarrojos, ultracortos e intensos, en dos tipos diferentes de alótropos de carbono de baja dimensión: grafeno monocapa 2D (SLG) y nanotubos de carbono de pared simple 1D (SWNTs). Los resultados obtenidos muestran la aparición de una meseta espectral no perturbativa cuando la intensidad del láser es lo suficientemente elevada, aunque a diferencia de otros sistemas más conocidos, como átomos, moléculas o sólidos semiconductores, no parece existir una ley simple que gobierne el escalado de la frecuencia de corte espectral con la intensidad del pulso. La interpretación de este comportamiento particular nos permite revelar el mecanismo fundamental para la HHG en esas estructuras alotrópicas. Usando un modelo para la emisión dipolar basado en la aproximación del punto de silla, mostramos que el primer paso para la HHG en estos materiales es radicalmente diferente del proceso de ionización/excitación por efecto túnel que se observa en sistemas gaseosos y en sólidos semiconductores, y que está estrechamente relacionado con la geometría singular de su estructura de bandas. En este sentido, demostramos el papel crucial que los puntos de Dirac en el grafeno y las singularidades de van Hove en los SWNTs juegan en la creación de pares electrón-hueco. También mostramos que la respuesta armónica de orden alto en SLG es altamente anisotrópica, lo que hace posible la emisión de armónicos polarizados elípticamente a partir de pulsos láser con polarización lineal, y de armónicos polarizados linealmente a partir de pulsos polarizados elípticamente.
- English
This thesis presents a comprehensive theoretical study of the process of high-order harmonic generation (HHG) induced by intense fewcycle infrared laser pulses in two different types of low dimensional carbon allotropes: 2D single layer graphene (SLG) and 1D singlewall carbon nanotubes (SWNTs). Our results show the emergence of a non-perturbative spectral plateau at large intensities but, unlike other more common systems, such as atoms, molecules or bulk solids, there is no simple law governing the scaling of the cut-off frequency. Interpreting this particular behavior allows to unveil the fundamental mechanism for HHG in those low dimensional carbon allotropic structures. Using a model for the emission dipole based on the saddlepoint approximation, we show that the first step for HHG in these carbon compounds is radically different from the tunneling ionization/excitation process found in gas systems and finite gap solids, and that is closely related to the singular geometry of their band structure. In this sense, we demonstrate the crucial role that Dirac points in graphene and van Hove singularities in SWNTs play in the creation of electron-hole pairs. We also show that the high-order harmonic response in SLG is highly anisotropic, making it possible to emit elliptically polarized harmonics from linear-polarized drivers, and linearly polarized harmonics from elliptically-polarized pulses.
- español
