In this article, we present the observation of coherent elastic dynamics in a nano-scale phononic superlattice, which consists of only 4 bilayers. We demonstrate how ultra-short light pulses with a length of 40 fs can be utilized to excite a coherent elastic wave at 0.535 THz, which persist over about 20 ps. In later steps of the elastic dynamics, modes with frequency of 1.7 THz and above appear. All these modes are related to acoustic band gaps. Thus, the periodicity strongly manifests in the wave physics, although the system under investigation has only a small number of spatial periods. To further illustrate this, we show how by breaking the translational invariance of the superlattice, these features can be suppressed. Discussed in terms of phonon blocking and radiation, we elucidate in how far our structures can be considered as useful building blocks for phononic devices.

1.
M. S.
Kushwaha
,
P.
Halevi
,
L.
Dobrzynski
, and
B.
Djafari-Rouhani
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
2022
(
1993
).
2.
M.
Maldovan
,
Nature
503
,
209
(
2013
).
3.
V.
Narayanamurti
,
H. L.
Störmer
,
M. A.
Chin
,
A. C.
Gossard
, and
W.
Wiegmann
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
2012
(
1979
).
4.
P.
Baumgart
,
B.
Hillebrands
,
R.
Mock
,
G.
Güntherodt
,
A.
Boufelfel
, and
C. M.
Falco
,
Phys. Rev. B
34
,
9004
(
1986
).
5.
C.
Thomsen
,
J.
Strait
,
Z.
Vardeny
,
H. J.
Maris
,
J.
Tauc
, and
J. J.
Hauser
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
989
(
1984
).
6.
C.
Thomsen
,
H. T.
Grahn
,
H. J.
Maris
, and
J.
Tauc
,
Phys. Rev. B
34
,
4129
(
1986
).
7.
H. T.
Grahn
,
H. J.
Maris
,
J.
Tauc
, and
B.
Abeles
,
Phys. Rev. B
38
,
6066
(
1988
).
8.
P.
Basséras
,
S. M.
Gracewski
,
G. W.
Wicks
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
75
,
2761
(
1994
).
9.
A.
Yamamoto
,
T.
Mishina
,
Y.
Masumoto
, and
M.
Nakayama
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
740
(
1994
).
10.
B.
Perrin
,
B.
Bonello
,
J.-C.
Jeannet
, and
E.
Romatet
,
Physica B
219–220
,
681
(
1996
).
11.
A.
Bartels
,
T.
Dekorsy
,
H.
Kurz
, and
K.
Köhler
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2844
(
1998
).
12.
A.
Bartels
,
T.
Dekorsy
,
H.
Kurz
, and
K.
Köhler
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1044
(
1999
).
13.
C.
Rossignol
,
B.
Perrin
,
B.
Bonello
,
P.
Djemia
,
P.
Moch
, and
H.
Hurdequint
,
Phys. Rev. B
70
,
094102
(
2004
).
14.
N.-W.
Pu
,
Phys. Rev. B
72
,
115428
(
2005
).
15.
A.
Huynh
,
N. D.
Lanzillotti-Kimura
,
B.
Jusserand
,
B.
Perrin
,
A.
Fainstein
,
M. F.
Pascual-Winter
,
E.
Peronne
, and
A.
Lemaître
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
115502
(
2006
).
16.
R. P.
Beardsley
,
A. V.
Akimov
,
M.
Henini
, and
A. J.
Kent
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
085501
(
2010
).
17.
A.
Fainstein
,
N. D.
Lanzillotti-Kimura
,
B.
Jusserand
, and
B.
Perrin
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
037403
(
2013
).
18.
A.
Bojahr
,
M.
Herzog
,
S.
Mitzscherling
,
L.
Maerten
,
D.
Schick
,
J.
Goldshteyn
,
W.
Leitenberger
,
R.
Shayduk
,
P.
Gaal
, and
M.
Bargheer
,
Opt. Express
21
,
21188
(
2013
).
19.
L.
Maerten
,
A.
Bojahr
, and
M.
Bargheer
,
Ultrasonics
56
,
148
(
2015
).
20.
A.
Bojahr
,
D.
Schick
,
L.
Maerten
,
M.
Herzog
,
I.
Vrejoiu
,
C.
von Korff Schmising
,
C.
Milne
,
S. L.
Johnson
, and
M.
Bargheer
,
Phys. Rev. B
85
,
224302
(
2012
).
21.
M.
Herzog
,
D.
Schick
,
P.
Gaal
,
R.
Shayduk
,
C. v.
Korff Schmising
, and
M.
Bargheer
,
Appl. Phys. A
106
,
489
(
2012
).
22.
R.
Shayduk
,
M.
Herzog
,
A.
Bojahr
,
D.
Schick
,
P.
Gaal
,
W.
Leitenberger
,
H.
Navirian
,
M.
Sander
,
J.
Goldshteyn
,
I.
Vrejoiu
, and
M.
Bargheer
,
Phys. Rev. B
87
,
184301
(
2013
).
23.
M. V.
Simkin
and
G. D.
Mahan
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
927
(
2000
).
24.
R. M.
Costescu
,
D. G.
Cahill
,
F. H.
Fabreguette
,
Z. A.
Sechrist
, and
S. M.
George
,
Science
303
,
989
(
2004
).
25.
V.
Rawat
,
Y. K.
Koh
,
D. G.
Cahill
, and
T. D.
Sands
,
J. Appl. Phys.
105
,
024909
(
2009
).
26.
R.
Shayduk
,
H. A.
Navirian
,
W.
Leitenberger
,
J.
Goldshteyn
,
I.
Vrejoiu
,
M.
Weinelt
,
P.
Gaal
,
M.
Herzog
,
C.
von Korff Schmising
, and
M.
Bargheer
,
New J. Phys.
13
,
093032
(
2011
).
27.
Z.
Li
,
S.
Tan
,
E.
Bozorg-Grayeli
,
T.
Kodama
,
M.
Asheghi
,
G.
Delgado
,
M.
Panzer
,
A.
Pokrovsky
,
D.
Wack
, and
K. E.
Goodson
,
Nano Lett.
12
,
3121
(
2012
).
28.
E.
Dechaumphai
,
D.
Lu
,
J. J.
Kan
,
J.
Moon
,
E. E.
Fullerton
,
Z.
Liu
, and
R.
Chen
,
Nano Lett.
14
,
2448
(
2014
).
29.
J.
Kimling
,
R. B.
Wilson
,
K.
Rott
,
J.
Kimling
,
G.
Reiss
, and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. B
91
,
144405
(
2015
).
30.
H.
Mizuno
,
S.
Mossa
, and
J.-L.
Barrat
,
Sci. Rep.
5
,
14116
(
2015
).
31.
F.
Döring
,
C.
Eberl
,
S.
Schlenkrich
,
F.
Schlenkrich
,
S.
Hoffmann
,
T.
Liese
,
H.
Krebs
,
S.
Pisana
,
T.
Santos
,
H.
Schuhmann
,
M.
Seibt
,
M.
Mansurova
,
H.
Ulrichs
,
V.
Zbarsky
, and
M.
Münzenberg
,
Appl. Phys. A
119
,
11
(
2015
).
32.
S. S. P.
Parkin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
P. M.
Rice
,
B.
Hughes
,
M.
Samant
, and
S.-H.
Yang
,
Nat. Mater.
3
,
862
(
2004
).
33.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
34.
J. C.
Leutenantsmeyer
,
V.
Zbarsky
,
M.
von der Ehe
,
S.
Wittrock
,
P.
Peretzki
,
H.
Schuhmann
,
A.
Thomas
,
K.
Rott
,
G.
Reiss
,
T. H.
Kim
,
M.
Seibt
, and
M.
Münzenberg
,
Mater. Trans.
56
,
1323
(
2015
).
35.
M.
Walter
,
J.
Walowski
,
V.
Zbarsky
,
M.
Münzenberg
,
M.
Schäfers
,
D.
Ebke
,
G.
Reiss
,
A.
Thomas
,
P.
Peretzki
,
M.
Seibt
,
J. S.
Moodera
,
M.
Czerner
,
M.
Bachmann
, and
C.
Heiliger
,
Nat. Mater.
10
,
742
(
2011
).
36.
V. V.
Kruglyak
,
S. O.
Demokritov
, and
D.
Grundler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
260301
(
2010
).
37.
C.
Bilzer
,
T.
Devolder
,
J.-V.
Kim
,
G.
Counil
,
C.
Chappert
,
S.
Cardoso
, and
P. P.
Freitas
,
J. Appl. Phys.
100
,
053903
(
2006
).
38.
X.
Liu
,
W.
Zhang
,
M. J.
Carter
, and
G.
Xiao
,
J. Appl. Phys.
110
,
033910
(
2011
).
39.
T.
Schwarze
and
D.
Grundler
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
222412
(
2013
).
40.
M.
Ranjbar
,
P.
Drrenfeld
,
M.
Haidar
,
E.
Iacocca
,
M.
Balinskiy
,
T. Q.
Le
,
M.
Fazlali
,
A.
Houshang
,
A. A.
Awad
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Kerman
,
IEEE Magn. Lett.
5
,
1
(
2014
).
41.
J.
Torrejon
,
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
S.
Mitani
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
5
,
4655
(
2014
).
42.
K.
Di
,
V. L.
Zhang
,
H. S.
Lim
,
S. C.
Ng
,
M. H.
Kuok
,
X.
Qiu
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
052403
(
2015
).
43.
T.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
U.
Martens
,
J.
Hannegan
,
L.
Braun
,
P.
Maldonado
,
F.
Freimuth
,
A.
Kronenberg
,
J.
Henrizi
,
I.
Radu
,
E.
Beaurepaire
,
Y.
Mokrousov
,
P. M.
Oppeneer
,
M.
Jourdan
,
G.
Jakob
,
D.
Turchinovich
,
L. M. M.
Hayden
,
M.
Wolf
,
M.
Münzenberg
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Nat. Photonics
10
,
483
(
2016
).
44.
A. E.
Gleason
,
H.
Marquardt
,
B.
Chen
,
S.
Speziale
,
J.
Wu
, and
R.
Jeanloz
,
Geophys. Res. Lett.
38
,
L03304
, doi: (
2011
).
45.
O.
Deparis
,
Opt. Lett.
36
,
3960
(
2011
).
46.
P.
Ruello
and
V. E.
Gusev
,
Ultrasonics
56
,
21
(
2015
).
47.
D.
Schick
,
M.
Herzog
,
A.
Bojahr
,
W.
Leitenberger
,
A.
Hertwig
,
R.
Shayduk
, and
M.
Bargheer
,
Struct. Dyn.
1
,
064501
(
2014
).
48.
B.
Perrin
, in
Microscale and Nanoscale Heat Transfer
, Topics in Applied Physics Vol.
107
, edited by
S.
Volz
(
Springer, Berlin
,
Heidelberg
,
2007
), pp.
333
359
.
49.
O.
Matsuda
,
M. C.
Larciprete
,
R. L.
Voti
, and
O. B.
Wright
,
Ultrasonics
56
,
3
(
2015
).
50.
A.
Majumdar
and
P.
Reddy
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4768
(
2004
).
51.
R.
Hickson
,
S.
Barry
,
G.
Mercer
, and
H.
Sidhu
,
Math. Comput. Modell.
54
,
210
(
2011
).
52.
S.
Rytov
,
Akust. Zh.
2
,
71
(
1956
).
53.
B.
Djafari-Rouhani
,
L.
Dobrzynski
,
O. H.
Duparc
,
R. E.
Camley
, and
A. A.
Maradudin
,
Phys. Rev. B
28
,
1711
(
1983
).
54.
W.
Chen
,
Y.
Lu
,
H. J.
Maris
, and
G.
Xiao
,
Phys. Rev. B
50
,
14506
(
1994
).
55.
J. V.
Jäger
,
A. V.
Scherbakov
,
T. L.
Linnik
,
D. R.
Yakovlev
,
M.
Wang
,
P.
Wadley
,
V.
Holy
,
S. A.
Cavill
,
A. V.
Akimov
,
A. W.
Rushforth
, and
M.
Bayer
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
032409
(
2013
).
56.
V. L.
Zhang
,
F. S.
Ma
,
H. H.
Pan
,
C. S.
Lin
,
H. S.
Lim
,
S. C.
Ng
,
M. H.
Kuok
,
S.
Jain
, and
A. O.
Adeyeye
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
163118
(
2012
).
57.
Y.
Yahagi
,
B.
Harteneck
,
S.
Cabrini
, and
H.
Schmidt
,
Phys. Rev. B
90
,
140405
(
2014
).
You do not currently have access to this content.