Fig. 1. Enhetscell (en kub med en kantlängd på 0,56 nm [en miljonedel av 0,56 mm]) av galliumarsenid med gallium (svart) och arsenatomer (röd) anslutna med kovalenta bindningar (blå). En galliumarsenidkristall består av många miljarder av sådana enhetsceller. Upphovsman:MBI
Vibrationer av atomer i en kristall av halvledaren galliumarsenid (GaA) förskjuts impulsivt till en högre frekvens av en optiskt exciterad elektrisk ström. Den relaterade förändringen i den rumsliga fördelningen av laddning mellan gallium och arsenatomer verkar tillbaka på deras rörelser via elektriska interaktioner.
Att slå på en gitarr, en teknik som används av många rockgitarrister, betyder att snabbt förkorta en vibrerande sträng med ett andra finger och, Således, växla till en högre ton. Denna teknik möjliggör snabbare spel och legato, en mjukare koppling av efterföljande toner. Forskare från Berlin och Paris har nu visat en hammare-analog i kristaller genom att byta frekvens för atomrörelser med en impulsivt genererad elektrisk ström. Som de rapporterar i det senaste numret av tidningen Fysiska granskningsbrev , en elektrisk ström som genereras av femtosekund optisk excitation förskjuter särskilda gittervibrationer, de tvärgående optiska (TO) fononerna, till en högre frekvens.
Kristallgitteret av GaAs består av ett regelbundet arrangemang av gallium och arsenatomer (fig. 1) som hålls samman av kovalenta kemiska bindningar. Atomerna i gallret kan genomgå en mängd olika vibrationer, bland dem TO -fonon med en frekvens av 8THz =8000000000000 vibrationer per sekund. Elektrontätheten på arsenatomerna är något högre än på galliumatomerna, vilket leder till ett lokalt elektriskt dipolmoment och gör kristallgitteret elektriskt polärt. Denna egenskap gör vibrationsrörelsen mottaglig för elektriska krafter.
Fig. 2. THz -utsläpp av TO -fononerna med (röd) och utan (svart) excitation av en andra puls. Det elektriska fältet är ritat som en funktion av tiden. Den andra optiska pulsen leder till en förkortning av oscillationsperioden, motsvarande en ökning av frekvensen från 8 till 8,1 THz. Upphovsman:MBI
I experimenten, en första femtosekund optisk puls startar en TO -fononsvängning, som störs av en andra puls -spännande elektroner från valensen till halvledarens ledningsband. Denna excitation är kopplad till en förändring av lokal avgift, d.v.s. en så kallad elektrisk skiftström. Skiftströmmen ökar elektrontätheten på galliumatomerna. Denna förändring i kristallens elektronfördelning leder till en övergående elektrisk polarisering, som genererar en elektrisk kraft och, Således, fungerar tillbaka på TO -fononrörelsen. Som ett resultat, TO -fononfrekvensen i den exciterade kristallen ändras med en liten mängd.
Mätningen av det lilla fononfrekvensskiftet representerar en stor experimentell utmaning. I föreliggande studie, TO-fononsvängningen kartlades i realtid via THz-vågen som utstrålades från det oscillerande fonondipolmomentet. THz -vågen mättes i amplitud och fas med extremt hög precision (fig. 2). Den utstrålade THz-vågen visar en frekvensförskjutning efter att den andra pulsen har interagerat med provet. Frekvensskiftet är uppenbart från den något kortare oscillationsperioden för THz -vågen (rött spår i figur 2) jämfört med fallet utan den andra pulsen (svart spår). Upp-skiftet av TO-fononfrekvensen har ett värde på 100 GHz eller ungefär 1 procent av initialfrekvensen. En analys av de experimentella resultaten visar att en fotoexiterad elektron i en kristallvolym på 20 000 GaAs-enhetsceller inducerar en procents frekvens upp-skift.
Förändringen av TO -fononfrekvensen som observerats här för första gången bör också ske i ett större antal halvledare med ett polärt gitter och i ferroelektriska material.
