來源：Forschungsverbund Berlin E.V.（FVB）；電子科技大學(xué)紅外毫米波與太赫茲研究院 肖豐 編譯

（a）在半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）的傳導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（黑色拋物線：電子能量對(duì)動(dòng)量）中示意性解釋的所謂縱向光學(xué)（Lo）聲子的聲子（波浪線）吸收和（b）受激發(fā)射。（a）不同尺寸的藍(lán)色圓圈代表室溫下的熱電子分布。聲子是通過將電子從占位幾率較高的狀態(tài)提升到占位幾率較低的狀態(tài)而被吸收（除去）的。（b）一個(gè)強(qiáng)大的THZ場(chǎng)（綠色雙箭頭）將電子分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。現(xiàn)在，聲子的受激發(fā)射通過反電子躍遷增加了聲子的數(shù)量。（c）金屬狗骨諧振器陣列覆蓋的樣品結(jié)構(gòu)示意圖（橙色）。后者增強(qiáng)了靠近諧振器帶電臂的電場(chǎng)（沿虛線）。（d）作為時(shí)間函數(shù)的相干聲子的測(cè)量振幅（峰下面積），顯示在1.5皮秒的時(shí)間內(nèi)增加了10倍。來源：MBI Berlin

與激光中光的放大類似，半導(dǎo)體晶體的振動(dòng)，也就是所謂的聲子，是通過與電子電流的相互作用而增強(qiáng)的。強(qiáng)太赫茲（THz）脈沖對(duì)金屬半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的激發(fā)導(dǎo)致縱向光學(xué)（LO）聲子在9 THz頻率下放大10倍。將這種晶格運(yùn)動(dòng)耦合到傳播聲波上，有可能實(shí)現(xiàn)亞納米空間分辨率的超聲成像。

激光的基本原理可以通過晶體中的振動(dòng)量子應(yīng)用于聲子。聲子可以被晶格中的電子吸收或發(fā)射。聲子的凈放大要求它們通過受激發(fā)射每秒發(fā)射的數(shù)量大于每秒吸收的數(shù)量。換句話說，發(fā)射的電子一定比吸收聲子的要多。在圖1中示意性地說明了這一條件，其中電子能量被繪制為電子動(dòng)量k的函數(shù)，大致遵循拋物線依賴關(guān)系。

對(duì)于室溫下電子的熱平衡分布[由圖1（a）中不同尺寸的填充藍(lán)圈勾勒]，高能電子態(tài)的粒子數(shù)比低能電子態(tài)的粒子數(shù)少，從而導(dǎo)致凈聲子吸收。只有當(dāng)晶體中相應(yīng)聲子的能量和動(dòng)量分離的兩個(gè)電子態(tài)之間存在所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，才能優(yōu)先考慮聲子的受激發(fā)射[圖1（b）]。對(duì)于光學(xué)聲子，由于其能量相對(duì)較高，這一條件很難滿足。

來自德國(guó)柏林的馬克斯伯恩研究所、新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和紐約州布法羅市紐約州立大學(xué)的研究人員現(xiàn)已證明了光學(xué)聲子在一種特殊設(shè)計(jì)的金屬半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的放大作用[圖1（c）]。該系統(tǒng)由一個(gè)金屬狗骨天線組成，天線頂部是由GaAs和AlAs組成的層狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)用超短脈沖以太赫茲頻率照射。

一方面，太赫茲脈沖激發(fā)縱向光學(xué)（Lo）聲子；另一方面，它在厚的GaAs層中驅(qū)動(dòng)電子流。振蕩頻率為9太赫茲（約為人類能聽到的最高頻率的4.5億倍）的低聲子通過與電子的相互作用被放大。聲子振蕩的強(qiáng)度或振幅是通過樣品折射率的伴隨變化來監(jiān)測(cè)的。后者是借助第二個(gè)超短脈沖在較高頻率下測(cè)量的。圖1（d）顯示了聲子激發(fā)的時(shí)間演化。在曲線的峰值期間，存在一個(gè)凈聲子放大，在峰值下的黃色區(qū)域是聲子振蕩振幅的測(cè)量。所附的影片顯示了相干聲子振幅的時(shí)空演化，根據(jù)THZ脈沖的相位顯示聲子衰減[情況圖1（a）]和聲子放大[情況圖1（b）]的兩個(gè)周期。

左圖：GaAs光學(xué)聲子在薄的AlAs層和厚的GaAs層之間的界面的振幅[圖1（c）]。紅色曲線：在厚的砷化鎵層中，由太赫茲驅(qū)動(dòng)的電子電流引起的低聲子振蕩。藍(lán)色曲線：沒有放大機(jī)制的聲子振蕩。右：作為從alas/gaas界面到厚gaas層的穿透深度函數(shù)的Lo聲子振幅的時(shí)空演化（參見左面板中的移動(dòng)圓）[圖1（c）]。電影清楚地顯示了聲子衰減的交替周期[情況圖1（a）]和聲子放大[情況圖1（b）]，這取決于驅(qū)動(dòng)THZ脈沖的相位。來源：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

現(xiàn)在的工作是原則的證明。對(duì)于一個(gè)可用的高頻聲波源，有必要進(jìn)一步提高放大率。一旦有了這樣的來源，它就可以用來擴(kuò)大超聲的范圍，使之接近單個(gè)生物細(xì)胞的長(zhǎng)度尺度。雖然非傳播光學(xué)聲子不能直接用于成像，但可以將它們轉(zhuǎn)換成另一種材料中頻率相同的聲子，并將后者應(yīng)用于聲像成像。