I analogi med förstärkningen av ljus i en laser, vibrationer av en halvledarkristall, så kallade fononer, förstärktes genom interaktion med en elektronström. Excitation av en metall-halvledar nanostruktur med intensiva terahertz (THz) pulser resulterar i en 10-faldig förstärkning av longitudinella optiska (LO) fononer med en frekvens av 9 THz. Att koppla sådana gitterrörelser till fortplantande ljudvågor har potential för ultraljudsavbildning med en sub-nanometer rumslig upplösning.

Den grundläggande principen för laserljus kan antas för fononer via vibrationskvantet i en kristall. Fononer kan absorberas eller avges av elektroner i kristallgitteret. En nettoförstärkning av fononer kräver att deras antal som sänds ut per sekund via stimulerat utsläpp är större än det som absorberas per sekund. Med andra ord, det måste finnas fler elektroner som sänder ut än absorberar en fonon. Detta tillstånd illustreras schematiskt i fig. 1, där elektronenergin plottas som en funktion av elektronmomentet k, efter ungefär ett paraboliskt beroende.

För en termisk jämviktsfördelning av elektroner vid rumstemperatur [skissade av fyllda blå cirklar av olika storlek i fig. 1 (a)], elektrontillstånd vid högre energier har en mindre befolkning än de vid lägre energier, vilket resulterar i en nettofononabsorption. Stimulerad emission av en fonon kan bara råda om en så kallad populationsinversion existerar mellan två elektroniska tillstånd separerade av både energin och rörelsemängden hos motsvarande fonon i kristallen [Fig. 1 (b)]. För optiska fononer, detta villkor är mycket svårt att uppfylla på grund av deras relativt höga energi.

Forskare från Max-Born-Institute i Berlin, Tyskland, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, och State University of New York i Buffalo, New York, har nu demonstrerat förstärkningen av optiska fononer i en specialdesignad nanostruktur av metall-halvledare [Fig. 1 (c)]. Systemet består av en metallisk hundben-antenn ovanpå en skiktad halvledarstruktur bestående av GaAs och AlAs. Denna struktur bestrålas med en ultrakortpuls vid THz -frekvenser.

Å ena sidan, THz -pulsen exciterar longitudinella optiska (LO) fononer; å andra sidan, den driver en elektronström i det tjocka GaAs-skiktet. LO -fononerna oscillerar med en frekvens av 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, cirka 450 miljoner gånger den högsta frekvensen människor kan höra) förstärks genom interaktion med elektronerna. Styrkan eller amplituden för fononsvängningarna övervakas via den samtidiga förändringen av provets brytningsindex. Den senare mäts med hjälp av en andra ultrakort puls med högre frekvens. I fig. 1 (d), tidsutvecklingen för fonon excitation visas. Under kurvans toppar, det finns en nettofononförstärkning med det gula området under topparna som ett mått på fononsvängningsamplituden. Filmen bifogad visar den spatiotemporala utvecklingen av den koherenta fononamplituden som visar både perioder med fonondämpning [situation Fig. 1 (a)] och fononförstärkning [situation Fig. 1 (b)] beroende på fasen av THz -pulsen.

Detta arbete är ett principbevis. För en användbar källa för högfrekventa ljudvågor, det är nödvändigt att ytterligare öka förstärkningen. När en sådan källa är tillgänglig, den kan användas för att utöka området för sonografi mot längdskalan för individuella biologiska celler. Även om de icke-förökande optiska fononerna inte kan användas direkt för avbildning, man kan förvandla dem till akustiska fononer med samma frekvens i ett annat material och tillämpa det senare för sonografisk avbildning.