Uno studio condotto dagli scienziati del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) presso il Center for Free-Electron Laser Science di Amburgo/Germania presenta prove dell'amplificazione dei fononi ottici in un solido mediante intensi impulsi laser terahertz. Questi lampi di luce eccitano le vibrazioni atomiche ad ampiezze molto grandi, dove la loro risposta al campo elettrico guida diventa non lineare e la descrizione convenzionale non riesce a prevedere il loro comportamento.

In questo nuovo regno, le proprietà fondamentali dei materiali generalmente considerate costanti sono modulate nel tempo e fungono da sorgente per l'amplificazione fononica. La carta, "Amplificazione parametrica dei fononi ottici" di Andrea Cartella et al., è stato pubblicato su PNAS .

L'amplificazione della luce ha cambiato radicalmente la scienza e la tecnologia nel XX secolo. questo percorso, iniziata nel 1960 con l'invenzione del laser, ha ancora un impatto così notevole che il Premio Nobel per la Fisica 2018 è stato assegnato "per le invenzioni rivoluzionarie nel campo della fisica dei laser". Infatti, è probabile che l'amplificazione di altre eccitazioni fondamentali come fononi o magnoni abbia un impatto altrettanto trasformativo sulla moderna fisica e tecnologia della materia condensata.

Il gruppo guidato dal Prof. Andrea Cavalleri presso l'MPSD ha aperto la strada al campo del controllo dei materiali guidando le vibrazioni atomiche (cioè i fononi) con intensi impulsi laser terahertz. Se gli atomi vibrano abbastanza forte, il loro spostamento influisce sulle proprietà del materiale. Questo approccio si è dimostrato efficace nel controllare il magnetismo, oltre a indurre superconduttività e transizioni isolante-metallo. In questo campo, è quindi importante capire se l'eccitazione dei fononi da parte della luce può essere amplificata, potenzialmente portando a miglioramenti performativi dei suddetti meccanismi di controllo del materiale.

Nel presente lavoro, Cartella, Cavalleri e collaboratori hanno utilizzato intensi impulsi terahertz per guidare in modo risonante oscillazioni fononiche di grande ampiezza nel carburo di silicio e hanno studiato la risposta dinamica di questo fonone misurando la riflessione di impulsi deboli (anche risonanti) della sonda in funzione del ritardo temporale dopo l'eccitazione.

"Abbiamo scoperto che per intensità abbastanza grandi dei nostri impulsi di guida, l'intensità della luce riflessa della sonda era superiore a quella che colpisce il campione, " disse Andrea Cartella. "Come tale, il carburo di silicio funge da amplificatore per gli impulsi della sonda. Poiché la riflettività a questa frequenza è il risultato delle vibrazioni atomiche, questo rappresenta un'impronta digitale dell'amplificazione fononica."

Gli scienziati sono stati in grado di razionalizzare le loro scoperte con un modello teorico che ha permesso loro di identificare il meccanismo microscopico di questa amplificazione fononica:proprietà fondamentali del materiale, generalmente considerato costante, sono modulati nel tempo e fungono da sorgente di amplificazione. Questa è la controparte fononica di un noto effetto ottico non lineare, il cosiddetto mescolamento a quattro onde.

Questi risultati si basano su un'altra scoperta del gruppo di Amburgo che è stata pubblicata all'inizio di quest'anno, mostrando che i fononi possono avere una risposta che ricorda la generazione armonica di luce di ordine superiore. Queste nuove scoperte suggeriscono l'esistenza di un più ampio insieme di analogie tra fononi e fotoni, aprendo la strada alla realizzazione di dispositivi fononici.