Phononen mit Turbo

Laser beruhen auf dem Prinzip der Lichtverstärkung mittels stimulierter Emission von Strahlung. Dieses Konzept, das 1916 von Einstein theoretisch vorhergesagt und 1961 erstmals experimentell demonstriert wurde, lässt sich auch auf Schwingungsquanten eines Kristalls, Phononen, übertragen. Phononen wechselwirken mit den Elektronen des Kristalls und können von diesen absorbiert oder emittiert werden. Eine Nettoverstärkung von Phononen erhält man, wenn pro Sekunde mehr Schwingungsquanten mittels stimulierter Emission erzeugt werden, als durch Absorption vernichtet werden. 
 

In anderen Worten, es müssen mehr Elektronen da sein, die Phononen emittieren als solche, die Phononen absorbieren. Dieser Unterschied wird in der Abbildung illustriert, die die Elektronenenergie als Funktion des Elektronenimpulses zeigt und nahezu einem parabelförmigen Verlauf entspricht. Für eine thermische Gleichgewichtsverteilung von Elektronen bei Raumtemperatur (blaue Kreise unterschiedlicher Größe in Abb. a) sind Elektronenzustände bei höheren Energien schwächer bevölkert als solche bei niedrigeren Energien. Das führt zu einer Nettoabsorption von Phononen. Stimulierte Emission tritt auf, wenn eine Besetzungsinversion zwischen zwei Elektronzuständen auftritt, die sowohl in der Energie als auch im Impuls wie das Phonon im Kristall separiert sind (Abb. b). Für optische Phononen ist diese Bedingung sehr schwer zu erfüllen, weil diese eine vergleichbar große Energie besitzen.

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin, der Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico und der State University of New York at Buffalo, New York (USA), haben jetzt die Verstärkung von optischen Phononen in einer speziell konzipierten Metall-Halbleiter-Nanostruktur demonstriert. Das System besteht aus metallischen „Hundeknochen“-Antennen, die auf eine geschichtete Halbleiterstruktur aus GaAs und AlAs aufgebracht wurde. Diese Struktur wird mit einem kurzen Impuls bei Terahertz-Frequenzen bestrahlt. Zum einen regt der Terahertz-Impuls longitudinale optische (LO) Phononen an, zum anderen erzeugt er einen Elektronenstrom in der dicken GaAs-Schicht. Die LO-Phononen schwingen mit einer Frequenz von neun Terahertz und werden durch Wechselwirkung mit den Elektronen verstärkt. Die Stärke oder Amplitude der Gitterschwingungen wird über eine zeitliche Veränderung des Brechungsindexes des Materials verfolgt. Diese Veränderung wird mit Hilfe eines zweiten Terahertz-Impulses bei einer höheren Frequenz gemessen. In Abhängigkeit von der Phase der Terahertz-Impulses beobachtet man sowohl zeitliche Phasen mit Phonon-Abschwächung als auch Phasen der Phonon-Verstärkung. 

Das vorgestellte Experiment etabliert ein grundlegendes Konzept der Phononverstärkung. Eine anwendungsreife Quelle für Hochfrequenz-Schallwellen erfordert eine deutliche Erhöhung der Verstärkung. Eine solche Quelle ist von Interesse für Ultraschallabbildungen auf der Längenskala von biologischen Zellen. Während die nicht-propagierenden optischen Phononen nicht für die Bildgebung eingesetzt werden können, kann man diese in einem Nachbarkristall in akustische Phononen transformieren und dann zur Sonographie einsetzen.

FVB / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Woerner et al.: Terahertz Driven Amplification of Coherent Optical Phonons in GaAs Coupled to a Metasurface, Phys. Rev. Lett. 122, 107402 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.107402
• Nonlinear Processes in Condensed Matter (T. Elsässer), Max-Born-Institut Berlin