Theoretical analysis of electron relaxation of sub-THz optically generated carriers in monolayer graphene mediated by longitudinal acoustic phonons

Electron relaxation is the decay process that electrons experience when falling back to a state of lower energy. By comparing the scattering events that would deplete an energy level of carriers with the generation phenomena associated with an incident radiation, it is possible to predict whether the material ful lls saturable absorption conditions. With this goal in mind, a two-dimensional layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice structure, called graphene, has revealed exceptional opto-electronic properties thanks to its unique semimetal behavior. The thesis investigates carrier relaxation dynamics mediated by longitudinal acoustic phonons of an electron population pumped at sub-meV energies in an ideal graphene monolayer. The theoretical results derived by Fermi's Golden Rule reveal the exceptional symmetry of the phonon-absorption and emission transitions taking place between two states, k and k'. In absence of relaxation mechanisms other than electron-acoustic phonon interactions, the simulations highlight the strong impact of the operational temperature on the nal outcomes, predicting decay times of us and even ms time scale, and variation rates of the electron distribution in the order of KHz/cm2 and tens of Hz/cm2 .

Il rilassamento elettronico è il processo di decadimento che gli elettroni sperimentano quando cadono ad uno stato di minore energia. Comparando i processi di scattering che svuoterebbero il livello energetico di portatori con i fenomeni di generazione associati alla radiazione incidente, è possibile predire se l'assorbimento saturo possa essere raggiunto dal materiale. Con questo obiettivo, il grafene, uno strato monoatomico di atomi di carbonio organizzati a nido d'ape, ha rivelato formidabili proprietà opto-elettroniche grazie alla peculiarità di essere un semimetallo. La tesi analizza la dinamica di rilassamento mediata da fononi acustici longitudinali di una popolazione elettronica promossa inizialmente ad energie inferiori del meV in uno strato ideale di grafene. I risultati teorici derivati dalla Regola d'oro di Fermi rivelano un'incredibile simmetria tra i processi di assorbimento e di emissione di un fotone che si verifi cano tra due stati elettronici k e k'. In assenza di altri meccanismi oltre alle interazioni tra elettrone e fonone acustico, le simulazioni sottolineano il ruolo cruciale della temperatura di lavoro, stimando tempi di decadimento nell'ordine di us o addirittura ms, e tassi di variazione della distribuzione nell'ordine di KHz/cm2 o decine di Hz/cm2.