En studie som leds av forskare vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) vid Center for Free-Electron Laser Science i Hamburg/Tyskland visar bevis på förstärkningen av optiska fononer i ett fast ämne med intensiva terahertz laserpulser. Dessa ljusbristningar väcker atomvibrationer till mycket stora amplituder, där deras svar på det drivande elektriska fältet blir olinjärt och konventionell beskrivning misslyckas med att förutsäga deras beteende.

I denna nya värld, grundläggande materialegenskaper som vanligtvis anses vara konstanta moduleras i tid och fungerar som en källa för fononförstärkning. Pappret, "Parametrisk förstärkning av optiska fononer" av Andrea Cartella et al., har publicerats i PNAS .

Ljusförstärkningen förändrade dramatiskt vetenskap och teknik under 1900 -talet. Denna väg, som började 1960 med uppfinningen av lasern, har fortfarande en så anmärkningsvärd inverkan att Nobelpriset i fysik 2018 tilldelades "för banbrytande uppfinningar inom laserfysik." Verkligen, förstärkningen av andra grundläggande excitationer som fononer eller magnoner kommer sannolikt att ha en lika transformativ inverkan på modern fysik och teknik för kondenserad materia.

Gruppen som leds av prof. Andrea Cavalleri vid MPSD har varit banbrytande inom området för kontroll av material genom att driva atomvibrationer (dvs. fononer) med intensiva terahertz -laserpulser. Om atomerna vibrerar tillräckligt starkt, deras förskjutning påverkar materialegenskaper. Detta tillvägagångssätt har visat sig framgångsrikt för att kontrollera magnetism, samt inducerar supraledningsförmåga och isolator-till-metall-övergångar. Inom detta område, det är då viktigt att förstå om fonon excitation med ljus kan förstärkas, vilket kan leda till performativa förbättringar av de ovannämnda materialkontrollmekanismerna.

I det nuvarande arbetet, Cartella, Cavalleri och medarbetare använde intensiva terahertz-pulser för att resonant driva fononoscillationer med stor amplitud i kiselkarbid och undersökte det dynamiska svaret hos denna fonon genom att mäta reflektionen av svaga (även resonanta) sondpulser som en funktion av tidsfördröjning efter excitationen.

"Vi upptäckte att för tillräckligt stora intensiteter av våra körpulser, intensiteten hos det reflekterade sondljuset var högre än den som påverkade provet, "sa Andrea Cartella." Som sådan, kiselkarbid fungerar som en förstärkare för sondpulserna. Eftersom reflektiviteten vid denna frekvens är resultatet av atomvibrationerna, detta representerar ett fingeravtryck av fononförstärkning. "

Forskarna kunde rationalisera sina resultat med en teoretisk modell som gjorde det möjligt för dem att identifiera den mikroskopiska mekanismen för denna fononförstärkning:grundläggande materialegenskaper, brukar anses vara konstant, moduleras i tid och fungerar som en källa för förstärkning. Detta är den fononiska motsvarigheten till en välkänd olinjär optisk effekt, den så kallade fyrvågsblandningen.

Dessa fynd bygger på ytterligare en upptäckt av Hamburg -gruppen som publicerades tidigare i år, visar att fononer kan ha ett svar som påminner om den harmoniska generationens ljus av hög ordning. Dessa nya upptäckter tyder på att det finns en bredare uppsättning analogier mellan fononer och fotoner, banar väg för förverkligandet av fononiska enheter.