Amplificador para vibraciones de celosía de terahercios en un cristal semiconductor

• Fecha : 3 de abril de 2019
• Fuente : Forschungsverbund Berlín
• Resumen : De manera análoga a la amplificación de la luz en un láser, las vibraciones de un cristal semiconductor, los llamados fonones, se intensificaron mediante la interacción con una corriente de electrones. La excitación de una nanoestructura semiconductora de metal mediante pulsos intensos de terahercios THz da como resultado diezamplificación de pliegues de fonones ópticos longitudinales LO a una frecuencia de 9 THz. El acoplamiento de estos movimientos de celosía con la propagación de ondas sonoras tiene potencial para la obtención de imágenes por ultrasonido con una resolución espacial subnanométrica.

De manera análoga a la amplificación de la luz en un láser, las vibraciones de un cristal semiconductor, los llamados fonones, se intensificaron mediante la interacción con una corriente de electrones. La excitación de una nanoestructura semiconductora de metal mediante pulsos intensos de terahercios THz da como resultado diezamplificación de pliegues de fonones ópticos longitudinales LO a una frecuencia de 9 THz. El acoplamiento de estos movimientos de celosía con la propagación de ondas sonoras tiene potencial para la obtención de imágenes por ultrasonido con una resolución espacial subnanométrica.

El láser se basa en un principio fundamental de la física, la L ight A mplification por S timulated E mission of R adiation. Este concepto predicho teóricamente por Albert Einstein en 1916 y demostrado experimentalmente paraLa primera vez en 1961 se puede adoptar para el fonón, un cuanto vibracional en un cristal que consiste en una disposición regular o una red de átomos en el espacio. Los fonones pueden ser absorbidos o emitidos por electrones en el cristal. Una amplificación neta de fonones requiere quesu número emitido por segundo a través de la emisión estimulada es mayor que el absorbido por segundo. En otras palabras, debe haber más electrones emitiendo que absorbiendo un fonón. Esta condición se ilustra esquemáticamente en la Fig.1, donde la energía de los electrones se representa en función deel momento del electrón k, siguiendo aproximadamente una dependencia parabólica. Para una distribución de equilibrio térmico de electrones a temperatura ambiente, los estados de electrones a energías más altas tienen una población más pequeña que los de lower energías, resultando en una absorción neta de fonones.La emisión estimulada de un fonón solo puede prevalecer si existe una denominada inversión de población entre dos estados electrónicos separados tanto por la energía como por el momento del fonón correspondiente en el cristal.Para los fonones ópticos, esta última condición es muy difícil de cumplir debido a su energía comparativamente grande.

Investigadores del Max-Born-Institute en Berlín, Alemania, los Laboratorios Nacionales Sandia, Albuquerque, Nuevo México y la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, Nueva York, EE. UU., Han demostrado ahora la amplificación de fonones ópticos de una manera especialnanoestructura metálica semiconductora diseñada [Fig. 1 c]. El sistema consta de una antena metálica en forma de hueso de perro encima de una estructura semiconductora en capas que consta de GaAs y AlAs. Esta estructura se irradia con un pulso ultracorto en frecuencias THz.Por un lado, el pulso THz excita fonones ópticos longitudinales LO, por otro lado impulsa una corriente de electrones en la capa gruesa de GaAs. Los fonones LO oscilan con una frecuencia de 9 THz 9.000.000.000.000 Hertz, aproximadamente 450 millones de veces la más altafrecuencia que los humanos pueden oír se amplifican mediante la interacción con los electrones. La fuerza o amplitud de las oscilaciones del fonón se controla mediante el cambio concomitante del índice de refracción de la muestra.curado con la ayuda de un segundo pulso ultracorto a mayor frecuencia.En la Fig. 1 d, se muestra la evolución temporal de la excitación del fonón.Durante los picos de la curva, hay una amplificación neta del fonón, siendo el área amarilla debajo de los picos una medida de la amplitud de oscilación del fonón.La película adjunta muestra la evolución espacio-temporal de la amplitud coherente del fonón que muestra tanto los períodos de atenuación del fonón [situación Fig. 1 a] como la amplificación del fonón [situación Fig. 1 b] dependiendo de la fase del pulso THz.

El presente trabajo es una prueba de principio. Para una fuente utilizable de ondas sonoras de alta frecuencia, es necesario aumentar aún más la amplificación. Una vez que dicha fuente esté disponible, se puede usar para extender el rango de la ecografía hacia elescala de longitud de las células biológicas individuales. Si bien los fonones ópticos que no se propagan no se pueden utilizar directamente para la obtención de imágenes, se pueden transformar en fonones acústicos con la misma frecuencia en otro material y aplicar este último para la obtención de imágenes ecográficas.

Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlín . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.

Referencia de la revista :

1. Michael Woerner, Carmine Somma, Klaus Reimann, Thomas Elsaesser, Peter Q. Liu, Yuanmu Yang, John L. Reno, Igal Brener. Amplificación impulsada por terahercios de fonones ópticos coherentes en GaAs acoplados a una metauperficie . Cartas de revisión física , 2019; 122 10 DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.107402