Een studie geleid door wetenschappers van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van de Materie (MPSD) van het Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg/Duitsland levert bewijs voor de versterking van optische fononen in een vaste stof door intense terahertz-laserpulsen. Deze lichtuitbarstingen wekken atomaire trillingen op tot zeer grote amplituden, waar hun reactie op het aansturende elektrische veld niet-lineair wordt en de conventionele beschrijving hun gedrag niet kan voorspellen.

In dit nieuwe rijk, fundamentele materiaaleigenschappen die gewoonlijk als constant worden beschouwd, worden in de tijd gemoduleerd en fungeren als een bron voor fonon-versterking. De krant, "Parametrische versterking van optische fononen" door Andrea Cartella et al., is gepubliceerd in de PNAS .

De versterking van licht veranderde de wetenschap en technologie in de 20e eeuw drastisch. Deze weg, die in 1960 begon met de uitvinding van de laser, heeft nog steeds zo'n opmerkelijke impact dat de Nobelprijs voor natuurkunde 2018 werd toegekend "voor baanbrekende uitvindingen op het gebied van laserfysica." Inderdaad, de versterking van andere fundamentele excitaties zoals fononen of magnons zal waarschijnlijk een even transformerende invloed hebben op de moderne fysica en technologie van de gecondenseerde materie.

De groep onder leiding van prof. Andrea Cavalleri van de MPSD is een pionier op het gebied van het beheersen van materialen door atomaire trillingen (d.w.z. fononen) aan te sturen met intense terahertz-laserpulsen. Als de atomen sterk genoeg trillen, hun verplaatsing beïnvloedt de materiaaleigenschappen. Deze aanpak is succesvol gebleken bij het beheersen van magnetisme, evenals het induceren van supergeleiding en overgangen van isolator naar metaal. In dit veld, het is dan belangrijk om te begrijpen of de fonon-excitatie door licht kan worden versterkt, mogelijk leidend tot performatieve verbeteringen van de bovengenoemde materiële controlemechanismen.

In het huidige werk, Cartella, Cavalleri en collega's gebruikten intense terahertz-pulsen om fononoscillaties met grote amplitude in siliciumcarbide resonant aan te sturen en onderzochten de dynamische respons van deze fonon door de reflectie van zwakke (ook resonante) sondepulsen te meten als een functie van tijdvertraging na de excitatie.

"We ontdekten dat voor voldoende grote intensiteiten van onze aandrijfpulsen, de intensiteit van het gereflecteerde sondelicht was hoger dan de intensiteit die op het monster viel, "zei Andrea Cartella. "Als zodanig, siliciumcarbide fungeert als een versterker voor de sondepulsen. Omdat de reflectiviteit bij deze frequentie het resultaat is van de atomaire trillingen, dit vertegenwoordigt een vingerafdruk van fonon-versterking."

De wetenschappers konden hun bevindingen rationaliseren met een theoretisch model waarmee ze het microscopische mechanisme van deze fonon-versterking konden identificeren:fundamentele materiaaleigenschappen, gewoonlijk als constant beschouwd, worden gemoduleerd in de tijd en fungeren als een bron voor versterking. Dit is de fononische tegenhanger van een bekend niet-lineair optisch effect, de zogenaamde vier-golf-menging.

Deze bevindingen bouwen voort op een andere ontdekking door de Hamburg-groep die eerder dit jaar werd gepubliceerd, waaruit blijkt dat fononen een respons kunnen hebben die doet denken aan de hoge-orde harmonische generatie van licht. Deze nieuwe ontdekkingen suggereren het bestaan ​​van een bredere reeks analogieën tussen fononen en fotonen, de weg vrijmaken voor de realisatie van fononische apparaten.