Fig. 1. Célula unitária (um cubo com um comprimento de borda de 0,56 nm [um milionésimo de 0,56 mm]) de arseneto de gálio com átomos de gálio (preto) e arsênio (vermelho) conectados por ligações covalentes (azul). Um cristal de arseneto de gálio consiste em muitos bilhões dessas células unitárias. Crédito:MBI
As vibrações dos átomos em um cristal do arsenieto de gálio semicondutor (GaAs) são impulsivamente deslocadas para uma frequência mais alta por uma corrente elétrica opticamente excitada. A mudança relacionada na distribuição espacial de carga entre os átomos de gálio e arsênio atua de volta em seus movimentos por meio de interações elétricas.
Para martelar uma guitarra, uma técnica implantada por muitos guitarristas de rock, significa encurtar uma corda vibrante rapidamente com um segundo dedo e, portanto, mude para um tom mais alto. Esta técnica permite tocar mais rápido e legato, uma ligação mais suave dos tons subsequentes. Pesquisadores de Berlim e Paris demonstraram agora um análogo de martelo em cristais, alternando a frequência dos movimentos atômicos com uma corrente elétrica gerada impulsivamente. Como relatam na edição mais recente da revista Cartas de revisão física , uma corrente elétrica gerada por excitação óptica de femtossegundo muda vibrações de rede particulares, os fônons ópticos transversais (TO), para uma frequência mais alta.
A estrutura cristalina de GaAs consiste em um arranjo regular de átomos de gálio e arsênio (Fig. 1) mantidos juntos por ligações químicas covalentes. Os átomos na rede podem sofrer uma variedade de vibrações, entre eles o fônon TO com frequência de 8THz =8000000000000 vibrações por segundo. A densidade de elétrons nos átomos de arsênio é um pouco maior do que nos átomos de gálio, levando a um momento de dipolo elétrico local e tornando a estrutura do cristal eletricamente polar. Esta propriedade torna o movimento vibracional suscetível a forças elétricas.
Fig. 2. Emissão THz dos fônons TO com (vermelho) e sem (preto) excitação por um segundo pulso. O campo elétrico é plotado em função do tempo. O segundo pulso óptico leva a um encurtamento do período de oscilação, correspondendo a um aumento da frequência de 8 para 8,1 THz. Crédito:MBI
Nos experimentos, um primeiro pulso óptico de femtossegundo lança uma oscilação de fônon TO, que é perturbado por um segundo pulso que excita elétrons da valência para a banda de condução do semicondutor. Esta excitação está conectada com uma mudança de carga local, ou seja, uma chamada corrente de mudança elétrica. A mudança de corrente aumenta a densidade de elétrons nos átomos de gálio. Esta mudança na distribuição de elétrons do cristal leva a uma polarização elétrica transitória, que gera uma força elétrica e, portanto, age de volta no movimento TO phonon. Como resultado, a freqüência de fônon TO no cristal excitado muda em uma pequena quantidade.
A medição da minúscula mudança de frequência dos fônons representa um grande desafio experimental. No presente estudo, a oscilação do fônon TO foi mapeada em tempo real através da onda THz irradiada do momento dipolar do fônon oscilante. A onda THz foi medida em amplitude e fase com extrema precisão (fig. 2). A onda THz irradiada exibe um aumento de frequência após o segundo pulso interagir com a amostra. A mudança de frequência é óbvia a partir do período de oscilação ligeiramente mais curto da onda THz (traço vermelho na Fig. 2) em comparação com o caso sem o segundo pulso (traço preto). A mudança para cima da frequência de fônon TO tem um valor de 100 GHz ou aproximadamente 1 por cento da frequência inicial. Uma análise dos resultados experimentais mostra que um elétron fotoexcitado em um volume de cristal de células unitárias de 20.000 GaAs induz o aumento de frequência de um por cento.
A mudança de freqüência de fônon TO observada aqui pela primeira vez também deve ocorrer em uma faixa mais ampla de semicondutores com uma rede polar e em materiais ferroelétricos.
