Forschung -

Verstärker für Terahertz-Gitterschwingungen in einem Halbleiterkristall

In Analogie zur Verstärkung von Licht in einem Laser haben Forscher Gitterschwingungen in einem Halbleiterkristall, sogenannte Phononen, mithilfe von elektrischem Strom verstärkt. Nach Anregung einer Metall-Halbleiter-Nanostruktur mit intensiven Terahertzimpulsen beobachten sie eine zehnmal höhere Amplitude von longitudinal-optischen Phononen, die mit 9 THz oszillieren.

Ein Laser beruht auf der Lichtverstärkung mittels stimulierter Emission von Strahlung. Dieses Prinzip kann auf Schwingungsquanten eines Kristalls übertragen werden. Die Phononen wechselwirken mit den Elektronen des Kristalls und können von diesen absorbiert oder emittiert werden. Eine Nettoverstärkung von Phononen erhält man, wenn pro Sekunde mehr Schwingungsquanten mittels stimulierter Emission erzeugt, als durch Absorption vernichtet werden.

Für eine thermische Gleichgewichtsverteilung von Elektronen bei Raumtemperatur (blaue Kreise unterschiedlicher Größe in Bild a) sind Elektronenzustände bei höheren Energien schwächer bevölkert als solche bei niedrigeren Energien. Das führt zu einer Nettoabsorption von Phononen. Stimulierte Emission tritt auf, wenn eine Besetzungsinversion zwischen zwei Elektronzuständen auftritt, die sowohl in der Energie als auch im Impuls wie das Phonon im Kristall separiert sind (Bild b). Für optische Phononen ist diese Bedingung sehr schwer zu erfüllen, weil diese eine vergleichbar große Energie besitzen.

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin, der Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico und der State University of New York in Buffalo, New York, haben jetzt die Verstärkung von optischen Phononen in einer speziell konzipierten Metall-Halbleiter-Nanostruktur demonstriert (Bild c). Das System besteht aus metallischen ‚Hundeknochen‘-Antennen, die auf eine geschichtete Halbleiterstruktur aus GaAs und AlAs aufgebracht wurde. Diese Struktur wird mit einem kurzen THz-Impuls bestrahlt. Dieser regt zum einen LO-Phononen (longitudinal-optisch) an, zum anderen erzeugt er einen Elektronenstrom in der dicken GaAs-Schicht. Die Schwingung der LO-Phononen hat eine Frequenz von 9 THz und wird durch Wechselwirkung mit den Elektronen verstärkt.

Die Amplitude der Gitterschwingungen wird über eine zeitliche Veränderung des Brechungsindexes des Materials verfolgt. Diese Veränderung wird mithilfe eines zweiten THz-Impulses bei einer höheren Frequenz gemessen. Die zeitliche Entwicklung der Phononanregung ist in Bild d gezeigt. Die Abfolge der Maxima zeigt eine Nettoverstärkung der Phononen, wobei die gelbe Fläche unter der Kurve ein Maß für die Schwingungsamplitude darstellt.

Das vorgestellte Experiment etabliert ein grundlegendes Konzept der Phononverstärkung. Eine anwendungsreife Quelle für Hochfrequenzschallwellen erfordert eine deutliche Erhöhung der Verstärkung. Eine solche Quelle ist von Interesse für Ultraschallabbildungen mit einer Ortsauflösung im Sub-Nanometerbereich. Während die nicht propagierenden optischen Phononen nicht für die Bildgebung eingesetzt werden können, kann man diese in einem Nachbarkristall in akustische Phononen transformieren und dann zur Sonographie einsetzen.

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