Les vibrations des atomes dans un cristal d'arséniure de gallium semi-conducteur (GaAs) sont décalées de manière impulsive vers une fréquence plus élevée par un courant électrique excité optiquement. Le changement connexe de la distribution spatiale de la charge entre les atomes de gallium et d'arsenic agit en retour sur leurs mouvements via des interactions électriques.

Pour marteler une guitare, une technique déployée par de nombreux guitaristes rock, signifie raccourcir une corde vibrante rapidement avec un deuxième doigt et, Donc, passer à un ton plus élevé. Cette technique permet un jeu plus rapide et un legato, un enchaînement plus fluide des tons suivants. Des chercheurs de Berlin et de Paris ont maintenant démontré un analogue martelé dans les cristaux en commutant la fréquence des mouvements atomiques avec un courant électrique généré de manière impulsive. Comme ils le rapportent dans le dernier numéro de la revue Lettres d'examen physique , un courant électrique généré par une excitation optique femtoseconde décale des vibrations de réseau particulières, les phonons optiques transverses (TO), à une fréquence plus élevée.

Le réseau cristallin de GaAs consiste en un arrangement régulier d'atomes de gallium et d'arsenic (Fig. 1) maintenus ensemble par des liaisons chimiques covalentes. Les atomes du réseau peuvent subir diverses vibrations, parmi eux le phonon TO avec une fréquence de 8THz =800000000000 vibrations par seconde. La densité électronique sur les atomes d'arsenic est un peu plus élevée que sur les atomes de gallium, conduisant à un moment dipolaire électrique local et rendant le réseau cristallin électriquement polaire. Cette propriété rend le mouvement vibratoire sensible aux forces électriques.

Dans les expériences, une première impulsion optique femtoseconde lance une oscillation de phonon TO, qui est perturbée par une seconde impulsion excitant des électrons de la valence à la bande de conduction du semi-conducteur. Cette excitation est liée à un déplacement de charge locale, c'est à dire., un courant dit de décalage électrique. Le courant de décalage augmente la densité électronique sur les atomes de gallium. Ce changement dans la distribution électronique du cristal conduit à une polarisation électrique transitoire, qui génère une force électrique et, Donc, agit en retour sur le mouvement du phonon TO. Par conséquent, la fréquence des phonons TO dans le cristal excité change légèrement.

La mesure du minuscule décalage de fréquence des phonons représente un grand défi expérimental. Dans la présente étude, l'oscillation du phonon TO a été cartographiée en temps réel via l'onde THz rayonnée par le moment dipolaire du phonon oscillant. L'onde THz a été mesurée en amplitude et en phase avec une précision extrêmement élevée (Fig. 2). L'onde THz rayonnée affiche un décalage vers le haut de fréquence après que la deuxième impulsion a interagi avec l'échantillon. Le décalage de fréquence est évident à partir de la période d'oscillation légèrement plus courte de l'onde THz (trace rouge sur la figure 2) par rapport au cas sans la deuxième impulsion (trace noire). Le décalage vers le haut de la fréquence des phonons TO a une valeur de 100 GHz ou environ 1 pour cent de la fréquence initiale. Une analyse des résultats expérimentaux montre qu'un électron photo-excité dans un volume cristallin de 20 000 cellules unitaires de GaAs induit le décalage de fréquence d'un pour cent.

Le changement de fréquence des phonons TO observé ici pour la première fois devrait également se produire dans une gamme plus large de semi-conducteurs à réseau polaire et dans des matériaux ferroélectriques.