Ein elektrischer Strom durch eine Halbleiter-Nanostruktur verstärkt Schallwellen bei extrem hohen Frequenzen. Diese Methode ermöglicht neuartige, sehr kompakte Quellen von Ultraschall, die als Diagnosewerkzeug für das Abbilden von Werkstoffen und biologischen Strukturen mit sehr hoher räumlicher Auflösung dienen können.
Abb.: Änderungen der Reflexion als Funktion der Verzögerungszeit nach dem Pump-Puls (Bild: MBI)
Ultraschall besteht aus akustischen Wellen mit einer Frequenz weit über der Grenze, die von Menschen gehört werden kann. Ultraschall im Megahertz-Bereich findet breite Anwendung in der Sonographie, z. B. für die medizinische Bildgebung der Organe im Körper und für die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien. Die räumliche Auflösung des Bildes ist begrenzt durch die Wellenlänge des Ultraschalls. Um Objekte im Nanobereich abbilden zu können, sind Schallwellen mit einer Frequenz von mehreren hundert Gigahertz erforderlich. Um solche Wellen als Diagnosewerkzeug verwenden zu können, benötigt man neue Quellen, die eine ausreichende Schallintensität liefern.
Nun haben Forscher aus dem Max-Born-Institut in Berlin zusammen mit Kollegen aus dem Paul-Drude-Institut, Berlin und der École Normale Supérieure, Paris, eine neue Methode für die Verstärkung solch hochfrequenter Schallwellen vorgestellt. In einer speziell entwickelten Halbleiter-Struktur, die aus einer Folge von Nanoschichten besteht, werden Schallwellen mit einer Frequenz von 400 Gigahertz mit kurzen optischen Impulsen aus einem Laser erzeugt und nachgewiesen. Der Schall wird durch Wechselwirkung mit einem elektrischen Strom verstärkt, der durch den Halbleiter in der gleichen Richtung wie die Schallwellen fließt.
Diese Verstärkung basiert auf einen Prozess namens „SASER" (Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation), vollkommen analog zur Verstärkung des Lichtes in einem Laser. Die Schallwelle regt Elektronen, die sich mit einer Geschwindigkeit höher als die Schallgeschwindigkeit bewegen, dazu an, von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie zu gehen und dadurch die Schallwelle stärker zu machen. Um eine Netto-Verstärkung zu erzielen, ist es notwendig, dass es mehr Elektronen in dem Zustand hoher Energie als in dem niedriger Energie gibt. Auf diese Weise wird eine Schallwelle mit einer Frequenz von 400 Gigahertz um den Faktor zwei verstärkt.
Die bisherige Arbeit demonstriert erstmals dieses Prinzip der Schallverstärkung. Um hiermit eine nutzbare Quelle für Hochfrequenz-Schallwellen zu bauen, ist es notwendig, die Verstärkung weiter zu steigern, was durch Verbesserung der Struktur und vor allem durch eine bessere Kühlung des Halbleiters möglich sein dürfte. Sobald solche Quellen verfügbar sind, kann Sonographie mit einer Ortsauflösung im Bereich der Größe von Viren betrieben werden, also auf einer Längenskala viel kürzer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
FVB / DE
