Um estudo conduzido por cientistas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) do Centro de Ciência de Laser de Elétrons Livres em Hamburgo / Alemanha apresenta evidências da amplificação de fônons ópticos em um sólido por intensos pulsos de laser terahertz. Essas explosões de luz excitam vibrações atômicas em amplitudes muito grandes, onde sua resposta ao campo elétrico motriz torna-se não linear e a descrição convencional falha em prever seu comportamento.

Neste novo reino, Propriedades fundamentais do material geralmente consideradas constantes são moduladas no tempo e atuam como uma fonte para a amplificação do fônon. O papel, "Parametric Amplification of Optical Phonons" por Andrea Cartella et al., foi publicado no PNAS .

A amplificação da luz mudou drasticamente a ciência e a tecnologia no século XX. Este caminho, que começou em 1960 com a invenção do laser, ainda tem um impacto tão notável que o Prêmio Nobel de Física de 2018 foi concedido "por invenções inovadoras no campo da física do laser". De fato, a amplificação de outras excitações fundamentais como fônons ou magnons provavelmente terá um impacto igualmente transformador na moderna física e tecnologia da matéria condensada.

O grupo liderado pelo Prof. Andrea Cavalleri no MPSD foi pioneiro no campo do controle de materiais, conduzindo vibrações atômicas (ou seja, fônons) com intensos pulsos de laser terahertz. Se os átomos vibrarem com força suficiente, seu deslocamento afeta as propriedades do material. Esta abordagem tem se mostrado bem-sucedida no controle do magnetismo, bem como induzir supercondutividade e transições de isolador para metal. Nesta área, então é importante entender se a excitação do fônon pela luz pode ser amplificada, potencialmente levando a melhorias performativas dos mecanismos de controle de materiais acima mencionados.

No presente trabalho, Cartella, Cavalleri e colegas de trabalho usaram intensos pulsos de terahertz para acionar ressonantemente oscilações de fônon de grande amplitude no carboneto de silício e investigaram a resposta dinâmica desse fônon medindo a reflexão de pulsos de sonda fracos (também ressonantes) em função do atraso de tempo após a excitação.

"Descobrimos que para intensidades suficientemente grandes de nossos impulsos, a intensidade da luz da sonda refletida era maior do que a que incidia sobre a amostra, "disse Andrea Cartella." Como tal, o carboneto de silício atua como um amplificador para os pulsos da sonda. Como a refletividade nesta frequência é o resultado das vibrações atômicas, isso representa uma impressão digital da amplificação do fônon. "

Os cientistas foram capazes de racionalizar suas descobertas com um modelo teórico que lhes permitiu identificar o mecanismo microscópico dessa amplificação de fônons:propriedades fundamentais do material, geralmente considerado constante, são modulados no tempo e atuam como uma fonte de amplificação. Esta é a contraparte fonônica de um conhecido efeito óptico não linear, a chamada mistura de quatro ondas.

Essas descobertas baseiam-se em outra descoberta do grupo de Hamburgo publicada no início deste ano, mostrando que os fônons podem ter uma resposta que lembra a geração de luz harmônica de alta ordem. Essas novas descobertas sugerem a existência de um conjunto mais amplo de analogias entre fônons e fótons, pavimentando o caminho para a realização de dispositivos fonônicos.