En analogía con la amplificación de la luz en un láser, vibraciones de un cristal semiconductor, los llamados fonones, fueron mejorados por la interacción con una corriente de electrones. La excitación de una nanoestructura semiconductora de metal mediante pulsos intensos de terahercios (THz) da como resultado una amplificación de 10 veces de fonones ópticos longitudinales (LO) a una frecuencia de 9 THz. El acoplamiento de estos movimientos de celosía con la propagación de ondas sonoras tiene potencial para obtener imágenes de ultrasonido con una resolución espacial subnanométrica.

El principio fundamental de la luz láser se puede adoptar para fonones a través del cuanto vibracional en un cristal. Los fonones pueden ser absorbidos o emitidos por electrones en la red cristalina. Una amplificación neta de fonones requiere que su número emitido por segundo a través de la emisión estimulada sea mayor que el absorbido por segundo. En otras palabras, debe haber más electrones emitiendo que absorbiendo un fonón. Esta condición se ilustra esquemáticamente en la Fig.1, en el que la energía del electrón se representa en función del momento del electrón k, siguiendo aproximadamente una dependencia parabólica.

Para una distribución de equilibrio térmico de electrones a temperatura ambiente [esbozada por círculos azules rellenos de diferente tamaño en la Fig. 1 (a)], los estados de electrones a energías más altas tienen una población más pequeña que los de energías más bajas, resultando en una absorción neta de fonones. La emisión estimulada de un fonón sólo puede prevalecer si existe una denominada inversión de población entre dos estados electrónicos separados tanto por la energía como por el momento del fonón correspondiente en el cristal [Fig. 1 (b)]. Para fonones ópticos, esta condición es muy difícil de cumplir debido a su energía comparativamente alta.

Investigadores del Max-Born-Institute de Berlín, Alemania, los Laboratorios Nacionales Sandia, Albuquerque, Nuevo Mexico, y la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, Nueva York, ahora han demostrado la amplificación de fonones ópticos en una nanoestructura de semiconductores de metal especialmente diseñada [Fig. 1 (c)]. El sistema consta de una antena metálica en forma de hueso de perro encima de una estructura semiconductora en capas que consta de GaAs y AlAs. Esta estructura se irradia con un pulso ultracorto a frecuencias de THz.

Por un lado, el pulso THz excita fonones ópticos longitudinales (LO); por otra parte, impulsa una corriente de electrones en la capa gruesa de GaAs. Los fonones LO que oscilan con una frecuencia de 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, aproximadamente 450 millones de veces la frecuencia más alta que los humanos pueden escuchar) se amplifican mediante la interacción con los electrones. La fuerza o amplitud de las oscilaciones del fonón se controla mediante el cambio concomitante del índice de refracción de la muestra. Este último se mide con la ayuda de un segundo pulso ultracorto a mayor frecuencia. En la figura 1 (d), Se muestra la evolución temporal de la excitación del fonón. Durante los picos de la curva, hay una amplificación neta del fonón, siendo el área amarilla debajo de los picos una medida de la amplitud de oscilación del fonón. La película adjunta muestra la evolución espacio-temporal de la amplitud del fonón coherente que muestra tanto los períodos de atenuación del fonón [situación Fig. 1 (a)] como la amplificación del fonón [situación Fig. 1 (b)] dependiendo de la fase del pulso THz.

El presente trabajo es una prueba de principio. Para una fuente utilizable de ondas sonoras de alta frecuencia, es necesario aumentar aún más la amplificación. Una vez que dicha fuente esté disponible, se puede utilizar para ampliar el rango de la ecografía hacia la escala de longitud de células biológicas individuales. Si bien los fonones ópticos que no se propagan no se pueden utilizar directamente para la formación de imágenes, se pueden transformar en fonones acústicos con la misma frecuencia en otro material y aplicar este último para imágenes ecográficas.