Удар по гитаре – техника, применяемая многими рок-гитаристами, – означает быстрое укорочение вибрирующей струны вторым пальцем и, таким образом, переключение на более высокий тон. Эта техника позволяет быстрее играть и легато, более плавно соединяя последующие тоны. Исследователи из Берлина и Парижа продемонстрировали аналог молотка в кристаллах, переключая частоту движений атомов с помощью импульсно генерируемого электрического тока. Как они сообщают в последнем выпуске журнала Physical Review Letters, электрический ток, генерируемый фемтосекундным оптическим возбуждением, сдвигает определенные колебания решетки, поперечные оптические (TO) фононы, на более высокую частоту.
Кристаллическая решетка GaAs состоит из регулярного расположения атомов галлия и мышьяка, удерживаемых вместе ковалентными химическими связями. Атомы в решетке могут подвергаться различным колебаниям, в том числе фонону ТО с частотой 8 ТГц = 8 000 000 000 000 колебаний в секунду. Электронная плотность на атомах мышьяка несколько выше, чем на атомах галлия, что приводит к локальному электрическому дипольному моменту и делает кристаллическую решетку электрически полярной. Это свойство делает колебательное движение восприимчивым к электрическим силам.
В экспериментах первый фемтосекундный оптический импульс запускает колебание ТО-фонона, которое нарушается вторым импульсом, возбуждающим электроны из валентной зоны в зону проводимости полупроводника. Это возбуждение связано со сдвигом локального заряда i.е., так называемый электрический ток переключения.
Ток сдвига увеличивает электронную плотность на атомах галлия. Это изменение в распределении электронов в кристалле приводит к кратковременной электрической поляризации, которая генерирует электрическую силу и, таким образом, оказывает обратное действие на движение TO-фонона. В результате частота ТО-фонона в возбужденном кристалле изменяется на небольшую величину.
Измерение крошечного сдвига частоты фононов представляет собой большую экспериментальную задачу. В настоящей работе осцилляция ТО-фонона отображалась в реальном времени через ТГц волну, излучаемую осциллирующим дипольным моментом фонона. Волна ТГц была измерена по амплитуде и фазе с чрезвычайно высокой точностью. Излучаемая волна ТГц диапазона показывает сдвиг частоты вверх после того, как второй импульс взаимодействует с образцом.
Сдвиг частоты очевиден по несколько более короткому периоду колебаний ТГц волны по сравнению со случаем без второго импульса (черная кривая). Сдвиг вверх частоты фонона ТО составляет 100 ГГц или примерно 1 процент от начальной частоты.
Анализ экспериментальных результатов показывает, что один фотовозбужденный электрон в объеме кристалла 20000 элементарных ячеек GaAs вызывает сдвиг частоты вверх на один процент.
Наблюдаемое здесь изменение частоты ТО-фонона должно происходить впервые и в более широком диапазоне полупроводников с полярной решеткой и в сегнетоэлектрических материалах.