最新研究：晶体中原子振动的“敲击”技术
弹吉他手 ， 特别是许多摇滚吉他手 ， 常使用一种技术 ， 用手指快速地缩短振动弦 ， 从而迅速切换到高音调 ， 可加快演奏速度和连奏 ， 使后续音调更平滑地连接 。
类似地 ， 来自柏林和巴黎的研究人员现在通过用脉冲产生的电流 ， 切换原子运动的频率 ， 以实现晶体中的“敲击式”的类似变化 。 该研究团队的最新研究论文结果发表在最新一期的《物理评论快报》上 。 研究指出 ， 飞秒光学激发产生的电流将特定的晶格振动——横向光学声子 ， 转移到更高的频率 。 横向光学 ， transverseoptical ， 简写：TO ， 指在垂直的横向平面的传播方向的特定场景 。
半导体砷化镓（GaAs）晶体中的原子振动 ， 被光激发电流脉冲地移动到更高的频率 。 镓和砷原子之间的电荷空间分布的相关变化通过电相互作用重新作用于其运动 。
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如图所示砷化镓的晶胞 ， 边缘长度为0.56纳米的立方体 ， 其中镓（黑色）和砷原子（红色）通过共价键（蓝色）连接 。 砷化镓晶体由数十亿个这种晶胞组成 。 砷化镓的晶格由规则排列的镓和砷原子组成 ， 它们通过共价化学键结合在一起 。 晶格中的原子可以经历各种振动 ， 其中横向光学声子的频率为8太赫兹（THz） ， 即每秒8000000000000次振动 。 砷原子上的电子密度略高于镓原子上的电子密度 ， 这导致局部电偶极矩并使晶格变成极性 。 该特性使振动运动容易受到电力的影响 。
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如图所示横向光学声子的太赫兹发射 ， 红色为受到第二波脉冲激发 ， 黑色为没有受到第二波脉冲激发 ， 绘制为时间的函数 。 太赫兹光脉冲导致振荡周期的缩短 ， 对应于频率从8太赫兹增加到8.1太赫兹 。
在实验中 ， 第一飞秒光脉冲产生横向光学声子振荡 ， 受到第二声脉冲干扰 ， 激发电子从价电子到半导体的导带 ， 扰动该振荡 。 这种激励与局部电荷的移动 ， 即电流移动有关 。 转移电流增强了镓原子上的电子密度 。 晶体电子分布的这种变化会导致瞬态极化 ， 从而产生一个电场力 ， 从而作用于横向光学声子运动 。 结果 ， 受激晶体中的横向光学声子频率发生少量变化 。
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微小声子频移的测量具有极大的实验挑战 。 在该研究中 ， 横向光学声子振荡通过振荡的声子偶极矩辐射的太赫兹波实时绘制 。 太赫兹波在幅度和相位上的测量需要非常精确 。 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 。 与没有第二个脉冲的情况相比 ， 从太短的太赫兹波振荡周期可以明显看出频移 。 横向光学声子频率的上移值是100吉赫兹(GHz) ， 或约为初始频率的1％ 。 对实验结果的分析表明 ， 在一个具有2万个砷化镓晶胞中 ， 一个光激发电子会引起频率上移1％ 。
该研究首次观察到的横向光学声子频率的变化 ， 也会发生在具有极性晶格的更大范围的半导体和铁电材料中 ， 所以具有相当的应用前景 。
【最新研究：晶体中原子振动的“敲击”技术】参考：FrequencyUpshiftoftheTransverseOpticalPhononResonanceinGaAsbyFemtosecondElectron-HoleExcitation,PhysicalReviewLetters(2020).DOI:10.1103/PhysRevLett.125.027401
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