彈吉他手，特別是許多搖滾吉他手，常使用一種技術，用手指快速地縮短振動弦，從而迅速切換到高音調，可加快演奏速度和連奏，使後續音調更平滑地連接。
類似地，來自柏林和巴黎的研究人員現在通過用脈衝產生的電流，切換原子運動的頻率，以實現晶體中的「敲擊式」的類似變化。該研究團隊的最新研究論文結果發表在最新一期的《物理評論快報》上。研究指出，飛秒光學激發產生的電流將特定的晶格振動——橫向光學聲子，轉移到更高的頻率。橫向光學，transverse optical，簡寫：TO，指在垂直的橫向平面的傳播方向的特定場景。
半導體砷化鎵（GaAs）晶體中的原子振動，被光激發電流脈衝地移動到更高的頻率。鎵和砷原子之間的電荷空間分布的相關變化通過電相互作用重新作用於其運動。
如圖所示砷化鎵的晶胞，邊緣長度為0.56 納米的立方體，其中鎵（黑色）和砷原子（紅色）通過共價鍵（藍色）連接。砷化鎵晶體由數十億個這種晶胞組成。砷化鎵的晶格由規則排列的鎵和砷原子組成，它們通過共價化學鍵結合在一起。晶格中的原子可以經歷各種振動，其中橫向光學聲子的頻率為8太赫茲（THz），即每秒8000000000000次振動。砷原子上的電子密度略高於鎵原子上的電子密度，這導致局部電偶極矩並使晶格變成極性。該特性使振動運動容易受到電力的影響。
如圖所示橫向光學聲子的太赫茲發射，紅色為受到第二波脈衝激發，黑色為沒有受到第二波脈衝激發，繪製為時間的函數。太赫茲光脈衝導致振蕩周期的縮短，對應於頻率從8太赫茲增加到8.1太赫茲。
在實驗中，第一飛秒光脈衝產生橫向光學聲子振蕩，受到第二聲脈衝幹擾，激發電子從價電子到半導體的導帶，擾動該振蕩。這種激勵與局部電荷的移動，即電流移動有關。轉移電流增強了鎵原子上的電子密度。晶體電子分布的這種變化會導致瞬態極化，從而產生一個電場力，從而作用於橫向光學聲子運動。結果，受激晶體中的橫向光學聲子頻率發生少量變化。
微小聲子頻移的測量具有極大的實驗挑戰。在該研究中，橫向光學聲子振蕩通過振蕩的聲子偶極矩輻射的太赫茲波實時繪製。太赫茲波在幅度和相位上的測量需要非常精確。在第二個脈衝與樣品相互作用後，輻射的太赫茲波顯示出頻率上移。與沒有第二個脈衝的情況相比，從太短的太赫茲波振蕩周期可以明顯看出頻移。橫向光學聲子頻率的上移值是100吉赫茲(GHz)，或約為初始頻率的1％。對實驗結果的分析表明，在一個具有2萬個砷化鎵晶胞中，一個光激發電子會引起頻率上移1％。
該研究首次觀察到的橫向光學聲子頻率的變化，也會發生在具有極性晶格的更大範圍的半導體和鐵電材料中，所以具有相當的應用前景。
參考：Frequency Upshift of the Transverse Optical Phonon Resonance in GaAs by Femtosecond Electron-Hole Excitation, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.027401