Analoog aan de versterking van licht in een laser, trillingen van een halfgeleiderkristal, zogenaamde fononen, werden versterkt door interactie met een elektronenstroom. Excitatie van een metaal-halfgeleider nanostructuur door intense terahertz (THz) pulsen resulteert in een 10-voudige versterking van longitudinale optische (LO) fononen met een frequentie van 9 THz. Het koppelen van dergelijke roosterbewegingen aan zich voortplantende geluidsgolven biedt mogelijkheden voor ultrasone beeldvorming met een ruimtelijke resolutie van minder dan nanometer.

Het fundamentele principe van laserlicht kan voor fononen worden overgenomen via het vibrationele kwantum in een kristal. Fononen kunnen worden geabsorbeerd of uitgezonden door elektronen in het kristalrooster. Een netto-versterking van fononen vereist dat hun aantal dat per seconde via gestimuleerde emissie wordt uitgezonden groter is dan het aantal dat per seconde wordt geabsorbeerd. Met andere woorden, er moeten meer elektronen uitzenden dan een fonon absorberen. Deze toestand wordt schematisch geïllustreerd in Fig. 1, waarin de elektronenenergie is uitgezet als functie van het elektronenmomentum k, na ongeveer een parabolische afhankelijkheid.

Voor een thermische evenwichtsverdeling van elektronen bij kamertemperatuur [geschetst door gevulde blauwe cirkels van verschillende grootte in Fig. 1 (a)], elektronentoestanden bij hogere energieën hebben een kleinere populatie dan die bij lagere energieën, resulterend in een netto fononabsorptie. Gestimuleerde emissie van een fonon kan alleen prevaleren als er een zogenaamde populatie-inversie bestaat tussen twee elektronische toestanden gescheiden door zowel de energie als het momentum van het corresponderende fonon in het kristal [Fig. 1(b)]. Voor optische fononen, deze voorwaarde is erg moeilijk te vervullen vanwege hun relatief hoge energie.

Onderzoekers van het Max-Born-Instituut in Berlijn, Duitsland, de Sandia Nationale Laboratoria, Albuquerque, New Mexico, en de State University van New York in Buffalo, New York, hebben nu de versterking van optische fononen aangetoond in een speciaal ontworpen metaal-halfgeleider nanostructuur [Fig. 1(c)]. Het systeem bestaat uit een metalen dogbone-antenne bovenop een gelaagde halfgeleiderstructuur bestaande uit GaAs en AlAs. Deze structuur wordt bestraald met een ultrakorte puls op THz-frequenties.

Aan de ene kant, de THz-puls wekt longitudinale optische (LO) fononen op; anderzijds, het drijft een elektronenstroom aan in de dikke GaAs-laag. De LO-fonons oscilleren met een frequentie van 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, ongeveer 450 miljoen keer de hoogste frequentie die mensen kunnen horen) worden versterkt door interactie met de elektronen. De sterkte of amplitude van de fonon-oscillaties wordt gecontroleerd via de gelijktijdige verandering van de brekingsindex van het monster. Dit laatste wordt gemeten met behulp van een tweede ultrakorte puls op hogere frequentie. In figuur 1 (d), de tijdsevolutie van de fonon-excitatie wordt getoond. Tijdens de toppen van de curve, er is een netto fonon-amplificatie waarbij het gele gebied onder de pieken een maat is voor de fonon-oscillatie-amplitude. De bijgevoegde film toont de spatiotemporele evolutie van de coherente fonon-amplitude die beide perioden van fonon-verzwakking [situatie Fig. 1 (a)] en fonon-versterking [situatie Fig. 1 (b)] weergeeft, afhankelijk van de fase van de THz-puls.

Het huidige werk is een proof of principle. Voor een bruikbare bron van hoogfrequente geluidsgolven, het is noodzakelijk om de versterking verder te verhogen. Zodra een dergelijke bron beschikbaar is, het kan worden gebruikt voor het uitbreiden van het bereik van echografie naar de lengteschaal van individuele biologische cellen. Hoewel de niet-propagerende optische fononen niet direct kunnen worden gebruikt voor beeldvorming, men kan ze omzetten in akoestische fononen met dezelfde frequentie in een ander materiaal en deze laatste toepassen voor echografische beeldvorming.