Le vibrazioni degli atomi in un cristallo del semiconduttore arseniuro di gallio (GaAs) vengono spostate impulsivamente a una frequenza più alta da una corrente elettrica eccitata otticamente. Il relativo cambiamento nella distribuzione spaziale della carica tra gli atomi di gallio e di arsenico agisce sui loro movimenti tramite interazioni elettriche.

Per martellare una chitarra, una tecnica messa in campo da molti chitarristi rock, significa accorciare rapidamente una corda vibrante con un secondo dito e, così, passare a un tono più alto. Questa tecnica consente di suonare più velocemente e legato, un collegamento più fluido dei toni successivi. I ricercatori di Berlino e Parigi hanno ora dimostrato un analogo martello nei cristalli commutando la frequenza dei movimenti atomici con una corrente elettrica generata impulsivamente. Come riportano nell'ultimo numero della rivista Lettere di revisione fisica , una corrente elettrica generata dall'eccitazione ottica a femtosecondi sposta particolari vibrazioni reticolari, i fononi ottici trasversali (TO), ad una frequenza maggiore.

Il reticolo cristallino del GaAs è costituito da una disposizione regolare di atomi di gallio e arsenico (Fig. 1) tenuti insieme da legami chimici covalenti. Gli atomi nel reticolo possono subire una varietà di vibrazioni, tra questi il ​​fonone TO con una frequenza di 8THz =800000000000 vibrazioni al secondo. La densità elettronica sugli atomi di arsenico è leggermente superiore a quella sugli atomi di gallio, portando a un momento di dipolo elettrico locale e rendendo il reticolo cristallino elettricamente polare. Questa proprietà rende il movimento vibrazionale suscettibile alle forze elettriche.

Negli esperimenti, un primo impulso ottico a femtosecondi lancia un'oscillazione fononica TO, che è disturbato da un secondo impulso che eccita gli elettroni dalla valenza alla banda di conduzione del semiconduttore. Questa eccitazione è connessa con uno spostamento della carica locale, cioè., una cosiddetta corrente di spostamento elettrico. La corrente di spostamento aumenta la densità elettronica sugli atomi di gallio. Questo cambiamento nella distribuzione degli elettroni del cristallo porta a una polarizzazione elettrica transitoria, che genera una forza elettrica e, così, agisce di nuovo sul movimento del fonone TO. Di conseguenza, la frequenza fononica TO nel cristallo eccitato cambia di una piccola quantità.

La misura del minuscolo spostamento di frequenza dei fononi rappresenta una grande sfida sperimentale. In questo studio, l'oscillazione fononica TO è stata mappata in tempo reale tramite l'onda THz irradiata dal momento dipolo fononico oscillante. L'onda THz è stata misurata in ampiezza e fase con estrema precisione (Fig. 2). L'onda THz irradiata mostra un aumento della frequenza dopo che il secondo impulso ha interagito con il campione. Lo spostamento di frequenza è evidente dal periodo di oscillazione leggermente più breve dell'onda THz (traccia rossa in Fig. 2) rispetto al caso senza il secondo impulso (traccia nera). Lo spostamento verso l'alto della frequenza fononica TO ha un valore di 100 GHz o circa l'1% della frequenza iniziale. Un'analisi dei risultati sperimentali mostra che un elettrone fotoeccitato in un volume di cristallo di 20.000 celle unitarie di GaAs induce lo spostamento verso l'alto dell'1% della frequenza.

La variazione della frequenza fononica di TO osservata qui per la prima volta dovrebbe verificarsi anche in una gamma più ampia di semiconduttori con reticolo polare e in materiali ferroelettrici.