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8/3/2019 J.C. Granada E- Local Magnetoplasmon Modes of a
Semiconductor Superlattice with Broken Translational Symmetry
1/3
B r a z i l i a n J o u r n a l o f P h y s i c s , v o l . 2 6
, n o . 1 , M a r c h , 1 9 9 6 2 1 1
L o c a l M a g n e t o p l a s m o n M o d e s o f a S e m i c
o n d u c t o r
S u p e r l a t t i c e w i t h B r o k e n T r a n s l a t i o
n a l S y m m e t r y
J . C . G r a n a d a E .
D e p a r t a m e n t o d e F i s i c a , U n i v e r s i d a d
d e l V a l l e ,
A . A . 2 5 3 6 0 , C a l i ( C o l o m b i a )
R e c e i v e d J u l y 2 1 , 1 9 9 5
W e i n v e s t i g a t e t h e l o c a l c o l l e c t i v e m
o d e s a r i s i n g i n a s e m i c o n d u c t o r s u p e r l a
t t i c e w i t h a d e f e c t
t w o - d i m e n s i o n a l ( 2 D ) e l e c t r o n l a y e r
i n t h e p r e s e n c e o f a n e x t e r n a l s t a t i c t r a
n s v e r s a l m a g n e t i c
e l d . T h e d i s p e r s i o n r e l a t i o n o f t h e l o
c a l m o d e i s d e r i v e d . W e i n v e s t i g a t e t h e h
o m o g e n e o u s
( a l o n g t h e e l e c t r o n p l a n e s ) l o w - f r e q
u e n c y l o c a l m o d e s c o n s i d e r i n g r e t a r d e d
e e c t s . I t i s
s h o w n t h a t i n t h e r e t a r d e d r e g i o n o f t h
e s p e c t r u m t h e r e e x i s t s l o c a l m a g n e t o p l
a s m o n m o d e s
w h i c h h a v e f r e q u e n c i e s m u c h l o w e r t h a
n t h e e l e c t r o n c y c l o t r o n f r e q u e n c y o f t h
e 2 D c a r r i e r s .
E x t e n s i v e w o r k h a s b e e n d e v o t e d t o t h e
t h e o r e t i -
c a l a n d e x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e p r o p
e r t i e s o f l o w -
d i m e n s i o n a l h e t e r o s t r u c t u r e s ( s e e e
. g . 1 ] ) . I n p a r t i c u -
l a r , t h e s t u d y o f t h e c o l l e c t i v e e x c i t
a t i o n s a r i s i n g i n
s u c h s t r u c t u r e s h a s a t t r a c t e d t h e a t t
e n t i o n o f m a n y
r e s e a r c h e r s
2 3
. M o s t o f t h e t h e o r e t i c a l w o r k i n t h i
s
e l d i s c o n c e r n e d w i t h i n n i t e a n d s e m i -
i n n i t e
5 6
s u p e r l a t t i c e s . I n a s e r i e s o f p a p e r s B
l o s s c o n s i d e r e d
p l a s m o n m o d e s o f a n i n n i t e p e r i o d i c a r
r a y o f q u a n -
t u m w e l l s , w h e r e a l l t h e w e l l s a r e d o p e
d w i t h t h e s a m e
e l e c t r o n d e n s i t y e x c e p t f o r o n e , d o p e
d w i t h a d i e r -
e n t s u r f a c e c o n c e n t r a t i o n . I t w a s s h o
w n , t h a t a l o c a l
p l a s m o n m o d e a r i s e s d u e t o t h e b r e a k i n
g o f t r a n s l a -
t i o n a l s y r n m e t r y a l o n g t h e s u p e r l a t t
i c e a x i s . I n t h e
p r e s e n t c o m m u n i c a t i o n w e i n v e s t i g a t
e t h e l o c a l c o l l e c -
t i v e m o d e s w h i c h a r i s e i n a s e m i c o n d u c
t o r s u p e r l a t t i c e
w i t h a d e f e c t t w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r
o n l a y e r w h e n a n
e x t e r n a l s t a t i c m a g n e t i c e l d i s a p p h e
d a l o n g t h e s u -
p e r l a t t i c e a x i s ( i . e . , p e r p e n d i c u l a
r t o t h e e l e c t r o n l a y e r
p l a n e s ) .
W e c o n s i d e r a m o d e l , c o n s i s t i n g o f a o n
e -
d i m e n s i o n a l i n n i t e a r r a y o f q u a n t u m w
e l l s w i t h p e -
r i o d i c i t y d . T h e z - d i r e c t i o n i s t a k e n
a l o n g t h e s u p e r -
l a t t i c e a x i s . W e a s s u m e t h a t a l l t h e q u
a n t u m w e l l s a r e
u n i f o r m l y d o p e d w i t h a s u r f a c e d e n s i t
y
0
, e x c e p t f o r
t h e q u a n t u m w e l l a t z = 0 , w h i c h i s d o p e d
w i t h a s u r -
f a c e d e n s i t y o f c a r r i e r s
d
. A n e x t e r n a l s t a t i c m a g n e t i c
e l d B
0
i s a p p l i e d a l o n g t h e z d i r e c t i o n . T h e w
e l l s a r e
s o a p a r t , t h a t w e c a n n e g l e c t w a v e f u n c
t i o n o v e r l a p .
T h e r e f o r e , t h e q u a n t u m w e l l s a r e c o u p
l e d o n l y b y t h e
e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r a c t i o n a s s o c i
a t e d w i t h t h e d y n a m -
i c s o f t h e e l e c t r o n s y s t e m . I n o r d e r t o
d e s c r i b e t h e c o l -
l e c t i v e e x c i t a t i o n s , w e m u s t s o l v e M a
x w e l l ' s e q u a t i o n s
f o r t h e i n d u c e d e l d s a t t h e j - t h l a y e r a
n d t a k e i n t o
a c c o u n t t h e s t a n d a r d b o u n d a r y c o n d i t
i o n s . T o s o l v e
f o r t h e l o c a l m o d e s i n t h e s u p e r l a t t i c
e w i t h t h e d e f e c t
e l e c t r o n l a y e r , w e a s s u m e a d e c a y i n g s
o l u t i o n
E
j
= E
0
e
d
( = x y ) ( 1 )
w h e r e i s a p a r a m e t e r c h a r a c t e r i z i n g t
h e a t t e n u a t i o n
o f t h e e l d s a l o n g t h e s u p e r l a t t i c e a x i
s . W e o b t a i n t h e
f o l l o w i n g r e l a t i o n .
c
"
d
2
S ( ) ;
!
2
; !
2
H
!
2
p
# "
!
2
d
2 c
2
S ( ) +
!
2
; !
2
H
!
2
p
#
=
!
H
d
p
2 c
S ( )
2
( 2 )
d
-
8/3/2019 J.C. Granada E- Local Magnetoplasmon Modes of a
Semiconductor Superlattice with Broken Translational Symmetry
2/3
2 1 2 J . C . G r a n a d a E .
H e r e !
p
=
p
4 e
2
0
= ( m d ) i s t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l
p l a s m o n f r e q u e n c y , S ( ) i s t h e s u p e r l a
t t i c e s t r u c t u r e
f a c t o r S ( ) = s i n h ( d ) = ( c o s h ( d ) ; c o s h (
d ) ) i s
r e l a t e d t o t h e i n - p l a n e w a v e n u m b e r k a
n d t h e e x c i t a -
t i o n f r e q u e n c y ! b y =
p
k
2
; !
2
= c
2
a n d !
H
i s t h e
e l e c t r o n c y c l o t r o n f r e q u e n c y o f t h e 2
D c a r r i e r s .
T h e l o c a l m a g n e t o p l a s m o n m o d e , a s s o c
i a t e d w i t h
t h e b r o k e n t r a n s l a t i o n a l s y m m e t r y o f
t h e m o d e l c o n -
s i d e r e d h e r e , m u s t l i e o u t s i d e t h e b u l
k m a g n e t o p l a s m o n
b a n d . I n o r d e r t o d e s c r i b e t h i s m o d e , i
t i s n e c e s s a r y t o
c o n s i d e r t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a t t
h e d e f e c t l a y e r
( z = 0 ) W e h a v e
c
"
d
2
S ( ) +
!
2
; !
2
H
!
2
p
# "
!
2
d
2 c
2
S ( ) ;
!
2
; !
2
H
!
2
p
#
=
!
H
d
p
2 c
S ( )
2
( 3 )
w h e r e S ( ) = s i n h ( d ) = ( e x p ( d ) ; c o s h ( d )
) a n d =
d
=
0
R e l a t i o n s ( 2 , 3 ) p e r m i t u s t o o b t a i n x a
n d ! . T h e y c a n b e s o l v e d a n a l y t i c a l l y i n s
o m e i m p o r t a n t c a s e s . H e r e w e
s h a l l c o n s i d e r t h e h o m o g e n e o u s ( k = 0 )
o s c i l l a t i o n s i n t h e r e t a r d e d r e g i o n . I n
t h i s c a s e t h e r e l a t i o n s ( 2 - 3 ) t r a n s f o r
m
i n t o
x e
d
=
;
1 ;
1
c o s
! d
p
c
+ ( )
s
( 1 ;
1
)
2
c o s
2
! d
p
c
; ( 1 ; 2
1
) ( 4 )
! = !
H
+
!
2
p
d
p
2 c
"
c o t
! d
p
c
+ ( )
s
c o t
2
! d
p
c
; ( ; 2 )
#
( 5 )
d
H e r e w e h a v e i n t r o d u c e d t h e f u n c t i o n (
) = ( ;
1 ) ; ( 1 ; ) , w h e r e ( x ) i s t h e H e a v i s i d e s t
e p f u n c t i o n .
W e s e e t h a t t h e m a g n i t u d e x = e
a d
s h o w s a d e p e n d e n c e
o n t h e e x t e r n a l m a g n e t i c e l d . T h i s f o l
l o w s f r o m t h e
f a c t t h a t t h e m o d e s d e s c r i b e d b y ( 5 ) a r
e d u e t o t h e
r e t a r d e d e e c t s .
I n t h e p a r t i c u l a r c a s e w h e n 1 ; 1 w e n d l o
c a l -
i z e d m o d e s w i t h f r e q u e n c i e s c l o s e t o t
h e c e n t e r o r t h e
e d g e o f t h e B r i l l o u i n m i n i - z o n e . W e o b
t a i n f o r t h e s e
f r e q u e n c i e s t h e r e l a t i o n
! = !
; ( ) ( 1 ; )
2
!
2
p
4 c
p
s i n
!
d
c
p
( 6 )
w h e r e !
i s t h e f r e q u e n c y a t w h i c h t h e l o c a l m o d
e e n -
t e r s t h e b u l k b a n d o f t h e m a g n e t o p l a s m
o n o s c i l l a t i o n s
o f t h e w a v e - g u i d e d t y p e e x i s t i n g i n t h
e i d e a l s y s t e m
7
F o r t h e p a r a m e t e r r e l a t i o n !
H
> c = d
p
t h e f r e q u e n c y
!
s a t i s e s t h e i n e q u a l i t y !
< !
H
T h i s m e a n s , t h a t
t h e l o c a l m o d e s h a v e f r e q u e n c i e s l o w e
r t h a n t h e e l e c -
t r o n c y c l o t r o n f r e q u e n c y . T h e a b o v e f
e a t u r e s a r e i l l u s -
t r a t e d i n F i g . 1 , w h e r e w e h a v e p l o t t e d
t h e d e p e n d e n c e
! = ! (
d
) f o r d i e r e n t v a l u e s o f t h e a p p l i e d e x t
e r n a l
m a g n e t i c e l d .
F i g . ( 1 a ) d i s p l a y s t h e d e p e n d e n c e ! = !
(
d
) f o r
t h e c a s e
d
<
0
. W h e n
d
t e n d s t o z e r o , t h e l o c a l f r e -
q u e n c y a p p r o a c h e s t h e c y c l o t r o n f r e q
u e n c y . T h i s m e a n s
t h a t t h e a b s e n c e o f c a r r i e r s a t t h e d e f
e c t l a y e r l e a d s t o
t h e a p p e a r a n c e o f a l o c a l m o d e w i t h a f r
e q u e n c y e q u a l
t o t h e c y c l o t r o n f r e q u e n c y o f t h e c a r r
i e r s a t t h e r e m a i n -
i n g l a y e r s . W e s e e a l s o t h a t f o r a x e d v a
l u e o f t h e
s u r f a c e d e n s i t y o f c a r r i e r s
d
i n t h e d e f e c t l a y e r , t h e l o -
c a l f r e q u e n c y i n c r e a s e s w i t h t h e a p p l
i e d m a g n e t i c e l d .
O n t h e o t h e r h a n d , f o r a g i v e n v a l u e o f t
h e e x t e r n a l a p -
p l i e d m a g n e t i c e l d B
0
! d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s i n g
o f
d
F i g . ( 1 b ) d i s p l a y s t h e d e p e n d e n c e ! = !
(
d
) f o r
t h e c a s e
d
>
0
. A s i n t h e p r e v i o u s c a s e , f o r a g i v e n
v a l u e o f t h e e x t e r n a l a p p l i e d m a g n e t i
c e l d B
0
t h e f r e -
q u e n c y ! i s a d e c r e a s i n g f u n c t i o n o f t h
e s u r f a c e d e n s i t y
o f c a r r i e r s
d
. B u t , f o r a x e d v a l u e o f
d
, t h e l o c a l
f r e q u e n c y d e c r e a s e s w i t h t h e a p p l i e d
m a g n e t i c e l d .
T h u s , w e c o n c l u d e t h a t t h e a c c o u n t o f t
h e r e t a r d e d
e e c t s o n t h e c o l l e c t i v e e x c i t a t i o n m a
g n e t o p l a s m o n
-
8/3/2019 J.C. Granada E- Local Magnetoplasmon Modes of a
Semiconductor Superlattice with Broken Translational Symmetry
3/3
B r a z i l i a n J o u r n a l o f P h y s i c s , v o l . 2 6
, n o . 1 , M a r c h , 1 9 9 6 2 1 3
F i g u r e 1 . P l o t o f t h e h o m o g e n e o u s ( k = 0
) l o w - l y i n g l o c a l m a g n e t o p l a s m o n f r e q u
e n c y v s t h e s u r f a c e d e n s i t y o f c a r r i e r
s
a t t h e d e f e c t l a y e r f o r
d
<
0
a n d f o r d i e r e n t v a l u e s o f t h e c y c l o t r o
n f r e q u e n c y : W e h a v e c h o s e n t h e p a r a m e t e
r r e l a t i o n
!
p
d
1 = 2
= c = 1 ( A ) !
H
= !
p
( B ) 0 . 7 5 !
p
( C ) 0 . 5 !
p
, ( D ) 0 . 2 5 !
p
s p e c t r u m o f t h e m o d e l c o n s i d e r e d h e r e
, l e a d s t o t h e
a p p e a r a n c e o f a l o c a l i z e d m o d e w h o s e f
r e q u e n c y h e s
b e l o w t h e e l e c t r o n c y c l o t r o n f r e q u e n
c y .
A l t h o u g h t h e r e a r e s o f a r n o e x p e r i m e n
t a l r e s u l t s
o n s u p e r l a t t i c e s w i t h a s i n g l e d e f e c t
l a y e r , w e c o n s i d e r
t h a t t h e l o c a l m o d e s d e s c r i b e d h e r e m u
s t b e d e t e c t e d
w i t h t h e a i d o f s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t
s . I n t h i s c a s e i t
i s n e c e s s a r y t o h a v e a c o m p l e t e t h e o r y
o f t h e s c a t t e r -
i n g e x p e r i m e n t i n o r d e r t o p r e d i c t t h e
s p e c t r a l w i d t h ,
t h e l i n e s h a p e a n d t h e i n t e g r a t e d d e n s
i t y a s s o c i a t e d t o
s c a t t e r i n g f r o m t h e s e l o c a l m o d e s .
A c k n o w l e d g m e n t s
T h i s w o r k i s s u p p o r t e d b y C O L C I E N C I A S
( r e -
s e a r c h p r o j e c t 6 0 6 - 0 5 - 0 2 2 - 9 2 ) .
R e f e r e n c e s
1 . P . B u t c h e r , N . H . M a r c h a n d M . P . T o s i
( e d s . )
P h y s i c s o f L a w - d i m e n s i o n a l S e m i c o n d
u c t o r S t r u c -
t u r e s , ( P l e n u m P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 9 3 )
.
2 . M . G . C o t t a m a n d D . R . T i l l e y , I n t r o d
u c t i o n t o
S u r f a c e a n d S u p e r l a t t i c e E x c i t a t i o n
s , ( C a m b . U n i -
v e r s i t y P r e s s , C h i c h e s t e r , 1 9 8 9 ) .
3 . R . R a j a n d D . R . T i l l e y , T h e E l e c t r o d
y n a m i c s o f
S u p e r l a t t i c e s , i n T h e D i e l e c t r i c F u n
c h o n o f C o n -
d e n s e d S y s t e m s e d . b y L . L o u d o n a n d D . K
i r z h -
n i t z , ( N o r t h H o l l a n d , A m s t e r d a n , 1 9 8
9 ) .
4 . E . L . A l b u q u e r q u e a n d M . G . C o t t a m , P
h y s . R e -
p o r t s . 2 4 0 , 3 8 3 ( 1 9 9 3 ) .
5 . W . L . B l o s s , J . A p p l . P h y s . 6 9 , 3 0 6 8 (
1 9 9 1 ) .
6 . W . L . B l o s s J . , P h y s . R e v . B 4 4 , 6 0 5 ( 1
9 9 1 ) .
7 . J . C . G r a n a d a , A . M . K o s e v i c h a n d Y u .
A . K o s e -
v i c h , J . P h y s . : C o n d e n s . M a t t e r , 2 , 6 2
7 9 ( 1 9 9 0 ) .
