Forstærker til terahertz gittervibrationer i en halvlederkrystal

I analogi med forstærkning af lys i en laser, vibrationer af en halvlederkrystal, såkaldte fononer, blev forstærket ved interaktion med en elektronstrøm. Excitation af en metal-halvleder nanostruktur med intense terahertz (THz) pulser resulterer i en 10-fold forstærkning af optiske langsgående (LO) fononer med en frekvens på 9 THz. Kobling af sådanne gitterbevægelser til udbredelse af lydbølger har potentiale for ultralydsbilleddannelse med en sub-nanometer rumlig opløsning.

Det grundlæggende princip for laserlys kan vedtages for fononer via vibrationskvantet i en krystal. Fononer kan absorberes eller udsendes af elektroner i krystalgitteret. En nettoforstærkning af fononer kræver, at deres antal udsendt pr. Sekund via stimuleret emission er større end det, der absorberes pr. Sekund. Med andre ord, der skal være flere elektroner, der udsender end at absorbere et fonon. Denne tilstand er vist skematisk i fig. 1, hvor elektronenergien er afbildet som en funktion af elektronmomentum k, følge nogenlunde en parabolsk afhængighed.

For en termisk ligevægtsfordeling af elektroner ved stuetemperatur [skitseret af fyldte blå cirkler af forskellig størrelse i fig. 1 (a)], elektronstater ved højere energier har en mindre befolkning end dem med lavere energier, hvilket resulterer i en netto fononabsorption. Stimuleret emission af en fonon kan kun herske, hvis der findes en såkaldt befolkningsinversion mellem to elektroniske tilstande adskilt af både energien og momentumet for den tilsvarende fonon i krystallen [Fig. 1 (b)]. For optiske fononer, denne betingelse er meget vanskelig at opfylde på grund af deres forholdsvis høje energi.

Forskere fra Max-Born-Institute i Berlin, Tyskland, Sandia National Laboratories, Albuquerque, Ny mexico, og State University of New York i Buffalo, New York, har nu demonstreret forstærkning af optiske fononer i en specialdesignet metal-halvleder nanostruktur [Fig. 1 (c)]. Systemet består af en metallisk hundeben-antenne oven på en lagdelt halvlederstruktur bestående af GaA'er og AlA'er. Denne struktur bestråles med en ultrakortpuls ved THz -frekvenser.

På den ene side, THz -pulsen ophidser langsgående optiske (LO) fononer; på den anden side, den driver en elektronstrøm i det tykke GaAs -lag. LO -fononerne svinger med en frekvens på 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, 450 millioner gange den højeste frekvens mennesker kan høre) forstærkes ved interaktion med elektronerne. Styrken eller amplituden af ​​fononsvingningerne overvåges via den samtidige ændring af brydningsindekset for prøven. Sidstnævnte måles ved hjælp af en anden ultrakortpuls ved højere frekvens. I figur 1 (d), tidsudviklingen af ​​fonon -excitationen er vist. Under kurvens toppe, der er en nettofononforstærkning med det gule område under toppene et mål for fononsvingningsamplituden. Filmen vedhæftet viser den spatiotemporale udvikling af den koherente fononamplitude, der viser både perioder med fonondæmpning [situation Fig. 1 (a)] og fononforstærkning [situation Fig. 1 (b)] afhængigt af fasen af ​​THz -pulsen.

Det nuværende arbejde er et principbevis. For en brugbar kilde til højfrekvente lydbølger, det er nødvendigt at øge forstærkningen yderligere. Når en sådan kilde er tilgængelig, den kan bruges til at udvide sonografiens rækkevidde mod længdeskalaen for individuelle biologiske celler. Selvom de ikke-formerende optiske fononer ikke kan bruges direkte til billeddannelse, man kan omdanne dem til akustiske fononer med samme frekvens i et andet materiale og anvende sidstnævnte til sonografisk billeddannelse.