Trillingen van atomen in een kristal van het halfgeleider galliumarsenide (GaAs) worden impulsief verschoven naar een hogere frequentie door een optisch geëxciteerde elektrische stroom. De gerelateerde verandering in de ruimtelijke verdeling van lading tussen gallium- en arseenatomen werkt terug op hun bewegingen via elektrische interacties.

Om op een gitaar te hameren, een techniek die door veel rockgitaristen wordt toegepast, middel om een ​​trillende snaar snel in te korten met een tweede vinger en, dus, overschakelen naar een hogere toon. Deze techniek zorgt voor sneller spelen en legato, een soepelere koppeling van opeenvolgende tonen. Onderzoekers uit Berlijn en Parijs hebben nu een hammer-on analoog in kristallen aangetoond door de frequentie van atomaire bewegingen te veranderen met een impulsief gegenereerde elektrische stroom. Zoals ze melden in het meest recente nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , een elektrische stroom opgewekt door femtoseconde optische excitatie verschuift bepaalde roostertrillingen, de transversale optische (TO) fononen, naar een hogere frequentie.

Het kristalrooster van GaAs bestaat uit een regelmatige rangschikking van gallium- en arseenatomen (Fig. 1) die bij elkaar worden gehouden door covalente chemische bindingen. De atomen in het rooster kunnen verschillende trillingen ondergaan, waaronder de TO fonon met een frequentie van 8THz =8000000000000 trillingen per seconde. De elektronendichtheid op de arseenatomen is iets hoger dan op de galliumatomen, wat leidt tot een lokaal elektrisch dipoolmoment en het kristalrooster elektrisch polair maakt. Deze eigenschap maakt de trillingsbeweging gevoelig voor elektrische krachten.

In de experimenten, een eerste femtoseconde optische puls lanceert een TO-fononoscillatie, die wordt verstoord door een tweede puls die elektronen opwekt van de valentie naar de geleidingsband van de halfgeleider. Deze excitatie hangt samen met een verschuiving van lokale lading, d.w.z., een zogenaamde elektrische schuifstroom. De schuifstroom verhoogt de elektronendichtheid op de galliumatomen. Deze verandering in de elektronenverdeling van het kristal leidt tot een voorbijgaande elektrische polarisatie, die een elektrische kracht genereert en, dus, werkt terug op de TO fonon beweging. Als resultaat, de TO-fononfrequentie in het aangeslagen kristal verandert met een kleine hoeveelheid.

Het meten van de kleine fononfrequentieverschuiving vormt een grote experimentele uitdaging. In de huidige studie, de TO-fononoscillatie werd in realtime in kaart gebracht via de THz-golf die werd uitgestraald door het oscillerende fonon-dipoolmoment. De THz-golf werd gemeten in amplitude en fase met extreem hoge precisie (Fig. 2). De uitgestraalde THz-golf vertoont een frequentie-upshift nadat de tweede puls interactie heeft gehad met het monster. De frequentieverschuiving is duidelijk te zien aan de iets kortere oscillatieperiode van de THz-golf (rode lijn in Fig. 2) in vergelijking met het geval zonder de tweede puls (zwarte lijn). Het opschakelen van de TO-fononfrequentie heeft een waarde van 100 GHz of ongeveer 1 procent van de initiële frequentie. Een analyse van de experimentele resultaten toont aan dat één foto-geëxciteerd elektron in een kristalvolume van 20.000 GaAs-eenheidscellen de frequentie-omhoogverschuiving van één procent induceert.

De verandering van TO-fononfrequentie die hier voor het eerst wordt waargenomen, zou ook moeten optreden in een breder scala van halfgeleiders met een polair rooster en in ferro-elektrische materialen.