Em analogia à amplificação da luz em um laser, vibrações de um cristal semicondutor, os chamados fônons, foram aumentados pela interação com uma corrente de elétrons. A excitação de uma nanoestrutura de metal semicondutor por pulsos intensos de terahertz (THz) resulta em uma amplificação de 10 vezes dos fônons ópticos longitudinais (LO) a uma frequência de 9 THz. Acoplar esses movimentos de rede à propagação de ondas sonoras tem potencial para imagens de ultrassom com uma resolução espacial sub-nanométrica.

O princípio fundamental da luz laser pode ser adotado para os fônons por meio do quantum vibracional em um cristal. Fônons podem ser absorvidos ou emitidos por elétrons na rede cristalina. Uma amplificação líquida de fônons requer que seu número emitido por segundo via emissão estimulada seja maior do que o absorvido por segundo. Em outras palavras, deve haver mais emissão de elétrons do que absorção de um fônon. Esta condição é ilustrada esquematicamente na Fig. 1, em que a energia do elétron é plotada como uma função do momento do elétron k, seguindo aproximadamente uma dependência parabólica.

Para uma distribuição de equilíbrio térmico de elétrons à temperatura ambiente [esboçada por círculos azuis preenchidos de tamanhos diferentes na Fig. 1 (a)], estados de elétrons em energias mais altas têm uma população menor do que aqueles em energias mais baixas, resultando em uma absorção líquida de fônons. A emissão estimulada de um fônon só pode prevalecer se houver uma chamada inversão populacional entre dois estados eletrônicos separados tanto pela energia quanto pelo momento do fônon correspondente no cristal [Fig. 1 (b)]. Para fônons ópticos, esta condição é muito difícil de cumprir por causa de sua energia comparativamente alta.

Pesquisadores do Max-Born-Institute em Berlim, Alemanha, os Laboratórios Nacionais Sandia, Albuquerque, Novo México, e a Universidade Estadual de Nova York em Buffalo, Nova york, agora demonstraram a amplificação de fônons ópticos em uma nanoestrutura de metal-semicondutor especialmente projetada [Fig. 1 (c)]. O sistema consiste em uma antena de osso de cachorro metálica no topo de uma estrutura semicondutora em camadas que consiste em GaAs e AlAs. Esta estrutura é irradiada com um pulso ultracurto nas frequências THz.

Por um lado, o pulso THz excita fônons ópticos longitudinais (LO); por outro lado, ele conduz uma corrente de elétrons na espessa camada de GaAs. Os fônons LO oscilando com uma frequência de 9 THz (9 000 000 000 000 Hertz, cerca de 450 milhões de vezes a frequência mais alta que os humanos podem ouvir) são amplificados pela interação com os elétrons. A força ou amplitude das oscilações do fônon é monitorada por meio da alteração concomitante do índice de refração da amostra. Este último é medido com a ajuda de um segundo pulso ultracurto em frequência mais alta. Na Fig. 1 (d), a evolução temporal da excitação do fônon é mostrada. Durante os picos da curva, há uma amplificação líquida do fônon com a área amarela sob os picos sendo uma medida da amplitude da oscilação do fônon. O filme anexo mostra a evolução espaço-temporal da amplitude do fônon coerente que mostra os períodos de atenuação do fônon [situação Fig. 1 (a)] e amplificação do fônon [situação da Fig. 1 (b)] dependendo da fase do pulso de THz.

O presente trabalho é uma prova de princípio. Para uma fonte utilizável de ondas sonoras de alta frequência, é necessário aumentar ainda mais a amplificação. Assim que essa fonte estiver disponível, ele pode ser usado para estender a faixa de ultrassonografia em direção à escala de comprimento de células biológicas individuais. Embora os fônons ópticos não propagantes não possam ser usados ​​diretamente para imagens, pode-se transformá-los em fônons acústicos com a mesma frequência em outro material e aplicar este último para imagens ultrassonográficas.