Une étude menée par des scientifiques du Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) du Center for Free-Electron Laser Science à Hambourg/Allemagne présente des preuves de l'amplification des phonons optiques dans un solide par des impulsions laser térahertz intenses. Ces sursauts lumineux excitent les vibrations atomiques à de très grandes amplitudes, où leur réponse au champ électrique moteur devient non linéaire et la description conventionnelle ne parvient pas à prédire leur comportement.

Dans ce nouveau royaume, les propriétés fondamentales des matériaux habituellement considérées comme constantes sont modulées dans le temps et servent de source pour l'amplification des phonons. Le papier, "Amplification paramétrique des phonons optiques" par Andrea Cartella et al., a été publié dans le PNAS .

L'amplification de la lumière a radicalement changé la science et la technologie au 20e siècle. Ce chemin, qui a commencé en 1960 avec l'invention du laser, a toujours un impact si remarquable que le prix Nobel de physique 2018 a été décerné "pour des inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers". En effet, l'amplification d'autres excitations fondamentales comme les phonons ou les magnons est susceptible d'avoir un impact tout aussi transformateur sur la physique et la technologie modernes de la matière condensée.

Le groupe dirigé par le professeur Andrea Cavalleri au MPSD a été un pionnier dans le domaine du contrôle des matériaux en entraînant des vibrations atomiques (c'est-à-dire des phonons) avec des impulsions laser térahertz intenses. Si les atomes vibrent assez fort, leur déplacement affecte les propriétés des matériaux. Cette approche s'est avérée efficace pour contrôler le magnétisme, ainsi que l'induction de la supraconductivité et des transitions isolant-métal. Dans ce champ, il est alors important de comprendre si l'excitation des phonons par la lumière peut être amplifiée, potentiellement conduire à des améliorations performatives des mécanismes de contrôle des matériaux susmentionnés.

Dans le travail present, Cartelle, Cavalleri et ses collègues ont utilisé des impulsions térahertz intenses pour entraîner par résonance des oscillations de phonons de grande amplitude dans le carbure de silicium et ont étudié la réponse dynamique de ce phonon en mesurant la réflexion d'impulsions de sonde faibles (également résonantes) en fonction du délai après l'excitation.

« Nous avons découvert que pour des intensités suffisamment élevées de nos impulsions motrices, l'intensité de la lumière de sonde réfléchie était plus élevée que celle frappant l'échantillon, " dit Andrea Cartella. " En tant que tel, le carbure de silicium agit comme un amplificateur pour les impulsions de la sonde. Parce que la réflectivité à cette fréquence est le résultat des vibrations atomiques, cela représente une empreinte digitale de l'amplification des phonons."

Les scientifiques ont pu rationaliser leurs découvertes avec un modèle théorique qui leur a permis d'identifier le mécanisme microscopique de cette amplification des phonons :propriétés fondamentales des matériaux, généralement considéré comme constant, sont modulés dans le temps et servent de source d'amplification. C'est la contrepartie phononique d'un effet optique non linéaire bien connu, le mélange dit à quatre ondes.

Ces résultats s'appuient sur une autre découverte du groupe de Hambourg qui a été publiée plus tôt cette année, montrant que les phonons peuvent avoir une réponse rappelant la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la lumière. Ces nouvelles découvertes suggèrent l'existence d'un ensemble plus large d'analogies entre phonons et photons, ouvrant la voie à la réalisation de dispositifs phononiques.