Un estudio dirigido por científicos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en el Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres en Hamburgo / Alemania presenta evidencia de la amplificación de fonones ópticos en un sólido por intensos pulsos de láser de terahercios. Estos estallidos de luz excitan vibraciones atómicas a amplitudes muy grandes, donde su respuesta al campo eléctrico impulsor se vuelve no lineal y la descripción convencional no puede predecir su comportamiento.

En este nuevo reino Las propiedades fundamentales de los materiales que generalmente se consideran constantes se modulan en el tiempo y actúan como una fuente de amplificación de fonones. El papel, "Amplificación paramétrica de fonones ópticos" por Andrea Cartella et al., ha sido publicado en el PNAS .

La amplificación de la luz cambió drásticamente la ciencia y la tecnología en el siglo XX. Este camino, que comenzó en 1960 con la invención del láser, todavía tiene un impacto tan notable que el Premio Nobel de Física 2018 fue otorgado "por invenciones revolucionarias en el campo de la física láser". En efecto, Es probable que la amplificación de otras excitaciones fundamentales como fonones o magnones tenga un impacto igualmente transformador en la física y la tecnología modernas de la materia condensada.

El grupo dirigido por el Prof. Andrea Cavalleri en el MPSD ha sido pionero en el campo del control de materiales impulsando vibraciones atómicas (es decir, fonones) con intensos pulsos de láser de terahercios. Si los átomos vibran lo suficientemente fuerte, su desplazamiento afecta las propiedades del material. Este enfoque ha demostrado ser exitoso en el control del magnetismo, además de inducir superconductividad y transiciones de aislante a metal. En este campo, Entonces es importante comprender si la excitación del fonón por la luz se puede amplificar, potencialmente conduciendo a mejoras de rendimiento de los mecanismos de control de material antes mencionados.

En el presente trabajo, Cartella, Cavalleri y sus colaboradores utilizaron pulsos intensos de terahercios para impulsar de forma resonante oscilaciones de fonones de gran amplitud en carburo de silicio e investigaron la respuesta dinámica de este fonón midiendo la reflexión de pulsos de sonda débiles (también resonantes) como una función del retardo de tiempo después de la excitación.

"Descubrimos que para intensidades suficientemente grandes de nuestros pulsos impulsores, la intensidad de la luz de la sonda reflejada fue mayor que la que incide en la muestra, "dijo Andrea Cartella." Como tal, El carburo de silicio actúa como amplificador de los pulsos de la sonda. Debido a que la reflectividad a esta frecuencia es el resultado de las vibraciones atómicas, esto representa una huella digital de amplificación de fonones ".

Los científicos pudieron racionalizar sus hallazgos con un modelo teórico que les permitió identificar el mecanismo microscópico de esta amplificación de fonones:propiedades fundamentales del material, generalmente considerado constante, se modulan en el tiempo y actúan como fuente de amplificación. Esta es la contraparte fonónica de un conocido efecto óptico no lineal, la llamada mezcla de cuatro ondas.

Estos hallazgos se basan en otro descubrimiento del grupo de Hamburgo que se publicó a principios de este año, mostrando que los fonones pueden tener una respuesta que recuerda a la generación de luz armónica de orden superior. Estos nuevos descubrimientos sugieren la existencia de un conjunto más amplio de analogías entre fonones y fotones, allanando el camino para la realización de dispositivos fonónicos.