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晶体原子振动锤击技术

半导体砷化镓(GaAs)晶体中的原子振动被光激发电流脉冲转移到更高的频率。镓原子和砷原子之间电荷空间分布的相关变化通过电相互作用反作用于它们的运动。

敲击吉他是许多摇滚吉他手使用的一种技巧,意思是用第二根手指迅速缩短振动的琴弦,从而转换到更高的音调。这一技术允许更快的演奏和连奏,一个更流畅的连接随后的音调。来自柏林和巴黎的研究人员已经展示了一种类似于锤击的晶体,通过脉冲产生的电流来改变原子运动的频率。正如他们在最新一期的《物理评论快报》上报道的那样,飞秒光激发产生的电流会使特定的晶格振动,即横向光声子,产生更高的频率。

砷化镓的晶格由镓和砷原子的规则排列组成(图1),它们通过共价键连接在一起。晶格中的原子可以经历各种振动,其中频率为每秒8THz = 8000000000000的声子振动。砷原子上的电子密度比镓原子稍高,导致局部电偶极矩,使晶格呈电极性。这一性质使振动运动易受电力的影响。

在实验中,第一个飞秒光脉冲启动了声子振荡,第二个脉冲将电子从价带激发到半导体的导带,从而干扰声子振荡。这种激发与局部电荷的位移有关。,即所谓的电移电流。移动电流提高了镓原子上的电子密度。这种晶体电子分布的变化导致了瞬态电极化,产生了一个电力,因此,作用回声子运动。结果,受激晶体中的声子频率发生了少量的变化。

对微小声子频移的测量是一个巨大的实验挑战。在本研究中,通过振荡的声子偶极矩辐射出的THz波,实时映射了TO声子振荡。极高精度地测量了太赫兹波的振幅和相位(图2)。在第二个脉冲与样品相互作用后,辐射的太赫兹波显示出频率上移。与没有第二脉冲的情况(黑色痕迹)相比,THz波(图2中的红色痕迹)的振荡周期稍短,频率明显偏移。声子频率的上移值为100ghz,约为初始频率的1%。对实验结果的分析表明,在含有20000砷化镓单元的晶体体积中,一个光激发电子引起了1%的频率上移。

这里第一次观察到的声子频率的变化也应该出现在更广泛的极晶格半导体和铁电材料中。

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