Terahertz laserimpulser forstærker optiske fononer i faste stoffer

En undersøgelse ledet af forskere fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) ved Center for Free-Electron Laser Science i Hamborg/Tyskland præsenterer beviser for forstærkningen af ​​optiske fononer i et fast stof ved intense terahertz-laserimpulser. Disse lysudbrud ophidser atomvibrationer til meget store amplituder, hvor deres reaktion på det drivende elektriske felt bliver ikke-lineær, og konventionel beskrivelse undlader at forudsige deres adfærd.

I dette nye rige, grundlæggende materialeegenskaber, der normalt betragtes som konstante, moduleres i tid og fungerer som en kilde til fononforstærkning. Papiret, "Parametrisk forstærkning af optiske fononer" af Andrea Cartella et al., er blevet offentliggjort i PNAS .

Forstærkningen af ​​lys ændrede dramatisk videnskab og teknologi i det 20. århundrede. denne vej, som begyndte i 1960 med opfindelsen af ​​laseren, har stadig en så bemærkelsesværdig effekt, at 2018 Nobelprisen i fysik blev tildelt "for banebrydende opfindelser inden for laserfysik." Ja, forstærkningen af ​​andre fundamentale excitationer som fononer eller magnoner vil sandsynligvis have en lige så transformativ indvirkning på moderne kondenseret stofs fysik og teknologi.

Gruppen ledet af prof. Andrea Cavalleri ved MPSD har været banebrydende inden for styring af materialer ved at drive atomare vibrationer (dvs. fononer) med intense terahertz-laserimpulser. Hvis atomerne vibrerer kraftigt nok, deres forskydning påvirker materialets egenskaber. Denne tilgang har vist sig vellykket til at kontrollere magnetisme, samt inducering af superledningsevne og isolator-til-metal overgange. På dette felt, det er da vigtigt at forstå, om fonon-excitationen af ​​lys kan forstærkes, potentielt føre til performative forbedringer af de førnævnte materialekontrolmekanismer.

I nærværende arbejde, Cartella, Cavalleri og kolleger brugte intense terahertz-impulser til resonant at drive fononoscillationer med stor amplitude i siliciumcarbid og undersøgte den dynamiske respons af denne fonon ved at måle refleksionen af ​​svage (også resonante) probeimpulser som en funktion af tidsforsinkelsen efter excitationen.

"Vi opdagede, at for store nok intensiteter af vores køreimpulser, intensiteten af ​​det reflekterede sondelys var højere end den, der ramte prøven, " sagde Andrea Cartella. "Som sådan, siliciumcarbid fungerer som en forstærker for probeimpulserne. Fordi reflektiviteten ved denne frekvens er resultatet af de atomare vibrationer, dette repræsenterer et fingeraftryk af fononforstærkning."

Forskerne var i stand til at rationalisere deres resultater med en teoretisk model, der gjorde det muligt for dem at identificere den mikroskopiske mekanisme af denne fononforstærkning:grundlæggende materialeegenskaber, normalt betragtet som konstant, er moduleret i tid og fungerer som en kilde til forstærkning. Dette er den foniske pendant til en velkendt ikke-lineær optisk effekt, den såkaldte fire-bølge-blanding.

Disse resultater bygger på en anden opdagelse fra Hamburg-gruppen, der blev offentliggjort tidligere i år, viser, at fononer kan have en respons, der minder om den høje ordens harmoniske generering af lys. Disse nye opdagelser antyder eksistensen af ​​et bredere sæt af analogier mellem fononer og fotoner, baner vejen for realiseringen af ​​fononiske enheder.