Las vibraciones de los átomos en un cristal del semiconductor arseniuro de galio (GaAs) se desplazan impulsivamente a una frecuencia más alta por una corriente eléctrica excitada ópticamente. El cambio relacionado en la distribución espacial de la carga entre los átomos de galio y arsénico actúa sobre sus movimientos a través de interacciones eléctricas.

Para martillar una guitarra, una técnica desplegada por muchos guitarristas de rock, significa acortar una cuerda vibrante rápidamente con un segundo dedo y, por lo tanto, cambiar a un tono más alto. Esta técnica permite tocar y legato más rápido, un enlace más suave de tonos posteriores. Investigadores de Berlín y París han demostrado ahora un análogo de martillo en cristales al cambiar la frecuencia de los movimientos atómicos con una corriente eléctrica generada impulsivamente. Como informan en el número más reciente de la revista Cartas de revisión física , una corriente eléctrica generada por la excitación óptica de femtosegundos cambia las vibraciones particulares de la red, los fonones ópticos transversales (TO), a una frecuencia más alta.

La red cristalina de GaAs consiste en una disposición regular de átomos de galio y arsénico (Fig. 1) unidos por enlaces químicos covalentes. Los átomos de la red pueden sufrir una variedad de vibraciones, entre ellos el fonón TO con una frecuencia de 8THz =8000000000000 vibraciones por segundo. La densidad de electrones en los átomos de arsénico es algo mayor que en los átomos de galio, lo que lleva a un momento dipolar eléctrico local y hace que la red cristalina sea eléctricamente polar. Esta propiedad hace que el movimiento vibratorio sea susceptible a las fuerzas eléctricas.

En los experimentos, un primer pulso óptico de femtosegundos lanza una oscilación de fonón TO, que es perturbado por un segundo pulso que excita electrones desde la valencia hasta la banda de conducción del semiconductor. Esta excitación está relacionada con un cambio de carga local, es decir., una llamada corriente de desplazamiento eléctrica. La corriente de desplazamiento aumenta la densidad de electrones en los átomos de galio. Este cambio en la distribución de electrones del cristal conduce a una polarización eléctrica transitoria, que genera una fuerza eléctrica y, por lo tanto, actúa sobre el movimiento del fonón TO. Como resultado, la frecuencia del fonón TO en el cristal excitado cambia en una pequeña cantidad.

La medición del pequeño cambio de frecuencia de los fonones representa un gran desafío experimental. En el presente estudio, la oscilación del fonón TO se cartografió en tiempo real a través de la onda THz irradiada desde el momento dipolar del fonón oscilante. La onda THz se midió en amplitud y fase con una precisión extremadamente alta (Fig. 2). La onda de THz radiada muestra un cambio ascendente de frecuencia después de que el segundo pulso ha interactuado con la muestra. El cambio de frecuencia es obvio por el período de oscilación ligeramente más corto de la onda THz (trazo rojo en la Fig. 2) en comparación con el caso sin el segundo pulso (trazo negro). El cambio ascendente de la frecuencia del fonón TO tiene un valor de 100 GHz o aproximadamente el 1 por ciento de la frecuencia inicial. Un análisis de los resultados experimentales muestra que un electrón fotoexcitado en un volumen de cristal de 20 000 células unitarias de GaAs induce el cambio ascendente de frecuencia del uno por ciento.

El cambio de frecuencia de fonones de TO observado aquí por primera vez también debería ocurrir en una gama más amplia de semiconductores con una red polar y en materiales ferroeléctricos.