Analogamente all'amplificazione della luce in un laser, vibrazioni di un cristallo semiconduttore, cosiddetti fononi, sono stati potenziati dall'interazione con una corrente di elettroni. L'eccitazione di una nanostruttura metallo-semiconduttore mediante intensi impulsi terahertz (THz) determina un'amplificazione di 10 volte dei fononi ottici longitudinali (LO) a una frequenza di 9 THz. L'accoppiamento di tali movimenti reticolari alla propagazione delle onde sonore offre il potenziale per l'imaging a ultrasuoni con una risoluzione spaziale sub-nanometrica.

Il principio fondamentale della luce laser può essere adottato per i fononi tramite il quanto vibrazionale in un cristallo. I fononi possono essere assorbiti o emessi dagli elettroni nel reticolo cristallino. Un'amplificazione netta di fononi richiede che il loro numero emesso al secondo tramite emissione stimolata sia maggiore di quello assorbito al secondo. In altre parole, ci devono essere più elettroni che emettono di un fonone che assorbe. Questa condizione è illustrata schematicamente in Fig. 1, in cui l'energia dell'elettrone è tracciata in funzione del momento dell'elettrone k, seguendo grosso modo una dipendenza parabolica.

Per una distribuzione di equilibrio termico degli elettroni a temperatura ambiente [abbozzata da cerchi blu pieni di diverse dimensioni in Fig. 1(a)], gli stati di elettroni a energie più alte hanno una popolazione più piccola di quelli a energie più basse, con conseguente assorbimento fononico netto. L'emissione stimolata di un fonone può prevalere solo se esiste una cosiddetta inversione di popolazione tra due stati elettronici separati sia dall'energia che dal momento del corrispondente fonone nel cristallo [Fig. 1(b)]. Per i fononi ottici, questa condizione è molto difficile da soddisfare a causa della loro energia relativamente alta.

Ricercatori del Max-Born-Institut di Berlino, Germania, i Laboratori Nazionali Sandia, Albuquerque, Nuovo Messico, e la State University di New York a Buffalo, New York, hanno ora dimostrato l'amplificazione dei fononi ottici in una nanostruttura metallo-semiconduttore appositamente progettata [Fig. 1(c)]. Il sistema è costituito da un'antenna metallica a osso di cane sopra una struttura a semiconduttore a strati costituita da GaAs e AlAs. Questa struttura viene irradiata con un impulso ultracorto a frequenze THz.

Da una parte, l'impulso THz eccita i fononi ottici longitudinali (LO); d'altra parte, guida una corrente di elettroni nello spesso strato di GaAs. I fononi LO oscillanti con una frequenza di 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, circa 450 milioni di volte la frequenza più alta che gli esseri umani possono udire) sono amplificati dall'interazione con gli elettroni. La forza o l'ampiezza delle oscillazioni fononiche viene monitorata tramite la variazione concomitante dell'indice di rifrazione del campione. Quest'ultimo viene misurato con l'aiuto di un secondo impulso ultracorto a frequenza più elevata. Nella Fig. 1 (d), viene mostrata l'evoluzione temporale dell'eccitazione fononica. Durante i picchi della curva, c'è un'amplificazione fononica netta con l'area gialla sotto i picchi che è una misura dell'ampiezza dell'oscillazione fononica. Il filmato allegato mostra l'evoluzione spazio-temporale dell'ampiezza fononica coerente che mostra sia i periodi di attenuazione fononica [situazione Fig. 1(a)] sia l'amplificazione fononica [situazione Fig. 1(b)] a seconda della fase dell'impulso THz.

Il presente lavoro è una prova di principio. Per una sorgente utilizzabile di onde sonore ad alta frequenza, è necessario aumentare ulteriormente l'amplificazione. Una volta che tale fonte è disponibile, può essere utilizzato per estendere la gamma dell'ecografia verso la scala di lunghezza delle singole cellule biologiche. Mentre i fononi ottici non propaganti non possono essere utilizzati direttamente per l'imaging, si possono trasformare in fononi acustici con la stessa frequenza in un altro materiale e applicare quest'ultimo per l'imaging ecografico.