Attosecond charge dynamics in Germanium

The light-induced injection of charges from the valence to the conduction band of a solid by a strong and ultrashort optical pulse is a fundamental physical process. The possibility of injecting excited carriers into the conduction band of a material could lead to achieving control over the optical and electronic properties of solid-state systems on ultrafast time scales, eventually leading to an increase in the speed of opto-electronic devices up to the petahertz frequency regime. Despite its importance, the ultrafast charge photoinjection process is not fully understood yet. In this thesis, we investigated the photoinjection mechanism in a prototypical, application-relevant narrow-gap semiconductor, germanium, on the attosecond time scale. To perform these experiments, we developed a unique and state-of-the-art attosecond beamline, which can acquire two measurements simultaneously. In the first focus, we perform a two-color photoemission experiment on a gas target; in the second, a transient reflectivity spectroscopy one. The former, in tandem with a nonlinear fitting procedure based on an analytical model of the generated photoelectron spectra, allows a reliable characterization of the pump and probe pulses and an absolute calibration of the experimental delay axis, with an estimated uncertainty below 5 as. The latter, supported by two synergic theoretical approaches, unveils the details of the charge injection process during the interaction of the pump pulse with the sample. We measured infrared-pump-induced variations in the reflectivity of germanium in the extreme-ultraviolet spectral region close to the M4,5 absorption edge (3d levels at 29.2 and 29.8 eV). The observed features can be divided into two classes, depending on their time scale. Few-femtosecond signals are associated with the pump-induced photoinjection of charge carriers from the valence to the conduction band. On top of them, reflectivity oscillations at twice the pump radiation frequency come from the acceleration of charge carriers within the band structure. Single- and multi-photon absorption, light-induced diabatic tunneling, and field-driven intra-band motion are all found to contribute to the overall photoinjection process but involve different regions of the reciprocal space and unfold at different time instants during the envelope of the pump pulse. These experiments are fundamental for reaching a detailed understanding of the charge injection process. Repeating the experiment on doped samples, we investigated the complex interplay between doping and photodoping on the attosecond time scale for the first time. We measured the equilibrium and transient reflectivity of doped germanium samples. The inclusion of impurities in the crystal structure, in fact, not only affects the equilibrium optical and electronic properties of a solid, but it can even change the sub-cycle response time of electrons to the pump electric field. In this context, a preliminary interpretation allows us to suggest the concentration of dopant atoms as a knob to control many-body phenomena in a solid and, in turn, to tailor its attosecond response to an optical field. These findings increase our understanding of ultrafast light-matter interaction phenomena in solid-state materials, representing another step towards the control over the electrical and optical properties of matter with ultrashort light pulses.

L’iniezione di cariche dalla banda di valenza a quella di conduzione di un solido fotoindotta da un impulso di luce intenso e ultrabreve è un processo fisico fondamentale. La capacità di iniettare portatori eccitati nella banda di conduzione di un materiale potrebbe portare al controllo delle proprietà ottiche ed elettroniche di un sistema solido su scale temporali ultraveloci, determinando un aumento della velocità dei dispositivi optoelettronici fino a frequenze del petahertz. Nonostante la sua importanza, il processo di iniezione di carica ultraveloce è tuttora non del tutto compreso. In questa tesi, il meccanismo di fotoiniezione è investigato in un tipico semiconduttore con piccolo band gap rilevante per applicazioni, il germanio, sulla scala temporale degli attosecondi. Per svolgere questi esperimenti, si è sviluppata una beamline unica e all’avanguardia, che permette di svolgere due esperimenti simultaneamente. Nel primo fuoco, viene svolto un esperimento di fotoemissione a due colori da un target gassoso; nel secondo, un esperimento di spettroscopia a riflettività transiente. Il primo, combinato con una procedura di fit non lineare basata su un modello analitico dello spettro di fotoelettroni generato, permette una caratterizzazione affidabile degli impulsi di pump e probe e una calibrazione assoluta dell’asse dei ritardi sperimentale, con una incertezza stimata inferiore a 5 as. Il secondo, supportato da due approcci teorici sinergici, svela i dettagli del processo di iniezione di carica durante l’interazione dell’impulso di pompa con il campione. Sono state misurate variazioni indotte dall’impulso infrarosso di pompa nella riflettività del germanio nella regione spettrale dell’estremo ultravioletto attorno all’edge di assorbimento M4,5 (livelli 3d, a 29.2 e 29.8 eV). I segnali osservati si dividono in due classi, a seconda della loro scala temporale. Segnali della durata di pochi femtosecondi sono legati alla fotoiniezione indotta dalla pompa di portatori di carica dalla banda di valenza a quella di conduzione. Su di essi, oscillazioni nella riflettività al doppio della frequenza della radiazione di pompa derivano dall’accelerazione dei portatori di carica nella struttura a bande. L’assorbimento a singolo e multi-fotone, il tunnel adiabatico fotoindotto e il moto intra-banda sotto l’effetto del campo elettrico contribuiscono al processo di fotoiniezione, ma coinvolgono regioni differenti dello spazio reciproco e si sviluppano a istanti di tempo diversi durante l’inviluppo dell’impulso di pompa. Questi esperimenti sono fondamentali per raggiungere una comprensione dettagliata del processo di iniezione di carica. Ripetendo l’esperimento su campioni drogati, abbiamo investigato per la prima volta la complessa interazione tra drogaggio e drogaggio fotoindotto su scale temporali degli attosecondi. Abbiamo misurato la riflettività all’equilibrio e transiente di campioni di germanio drogato. L’inclusione di impurità nella struttura cristallina, infatti, non solo modifica le proprietà elettriche e ottiche di un solido all’equilibrio, ma può anche cambiare il tempo di risposta inferiore al ciclo ottico degli elettrone al campo elettrico di pompa. In questo contesto, una interpretazione preliminare permette di suggerire la concentrazione di atomi droganti come una manopola per controllare i fenomeni a molti corpi nei solidi e modificare la loro risposta ad attosecondi alla radiazione ottica. Questi risultati aumentano la nostra comprensione dei fenomeni ultraveloci di interazione luce-materia nei solidi, rappresentando un ulteriore passo verso il controllo delle proprietà elettriche ed ottiche della materia con impulsi di luce ultrabrevi.