Kvantinterferometri afslører den valgte vej for kohærent fonongenerering

Forskere ved Tokyo Institute of Technology og Keio University undersøgte excitation og påvisning af fotogenererede koherente fononer i polære halvleder GaA'er gennem en ultrahurtig dobbeltpumpesondelaser til kvanteinterferometri.

Forestil dig en verden, hvor computere kan gemme, bevæge sig, og behandle oplysninger med eksponentielle hastigheder ved hjælp af det, vi i øjeblikket betegner som affaldsvibrationer - varme og støj. Selvom dette kan minde os om en sci-fi-film, med nano-tidsalderens komme, dette vil meget snart blive virkelighed. I spidsen for dette er forskning inden for en gren af ​​kvanteområdet:kvantefotonik.

Fysikkens love hjælper os med at forstå naturens effektive måder. Imidlertid, deres anvendelse på vores ufuldkomne liv involverer ofte de mest effektive måder at udnytte fysikkens love på. Fordi det meste af vores liv drejer sig om udveksling af oplysninger, at komme med hurtigere måder at kommunikere på har altid været en prioritet. De fleste af disse oplysninger er kodet i bølger og vibrationer, der udnytter elektromagnetiske felter, der formerer sig i rummet eller faste stoffer og tilfældigt interagerer med partiklerne i faste enheder, skabe uønskede biprodukter:varme og støj. Denne interaktion formerer sig via to kanaler, absorption af lys eller spredning af lys, begge fører til tilfældig excitation af atomer, der udgør det faste stof. Ved at omdanne denne tilfældige excitation af partikler til sammenhængende, velkontrollerede vibrationer af det faste stof, vi kan vende bordene - i stedet for at bruge lys, vi kan bruge lyd (støj!) til at transportere oplysninger. Energien i denne gittervibration er pakket i veldefinerede bundter kaldet fononer.

Imidlertid, omfanget af dette afhænger af forståelsen af ​​to grundlæggende punkter-frembringelse af de sammenhængende fononer og dets efterfølgende levetid, som det bevarer sin "informationstransporterende evne" til. Dette var temaet for det spørgsmål, som forskere fra Nakamuras laboratorium ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) søgte at besvare under samarbejde med professor Shikano, der arbejder på Quantum Computing Center, Keio universitet.

Optiske fononer bruges til at beskrive en bestemt vibrationsform, som opstår, når gitterets tilstødende atomer bevæger sig i den modsatte retning. "Fordi impulsiv absorption (IA) og impulsiv stimuleret Raman -spredning (ISRS) forårsager zapping af sådanne vibrationer i det faste gitter, der fører til oprettelse af fononer, "hævder Nakamura, "vores mål var at belyse indsnævring af denne dikotomi." Forskerne brugte dobbelt pumpesonde-spektroskopi, hvor en ultrahurtig laserpuls opdeles i en stærkere "pumpe" for at excitere GaAs -prøven og en svagere "sonde" -stråle bestrålet på den "rystede" prøve. Pumpepulsen er opdelt i to kollinære pulser, men med et lille skift i deres bølgemønster for at producere relative faselåste impulser. Phononamplituden forstærkes eller undertrykkes i udkant, afhængigt af konstruktiv og destruktiv interferens (figur 1 og 2).

Sondestrålen læser interferensfrynsemønsteret ved at aflæse ændringer i optiske egenskaber (reflektivitet) af prøven, der opstår på grund af de frynsemønsterafhængige vibrationer i gitteret. Denne metode til aflæsning af ændringerne i bølgepulser til bestemmelse af prøveegenskaberne kaldes kvanteinterferometri.

Nakamura og teamet oplyser, "Dermed, ved at variere tidsforsinkelsen mellem pumpepulserne i trin, der er kortere end lyscyklussen og pumpesondepulsen, vi kunne registrere interferensen mellem elektroniske tilstande såvel som optiske fonons, som viser tidsmæssige egenskaber ved dannelsen af ​​kohærente fononer via lys-elektron-fonon-interaktioner under fotoexcitationen. "Fra den kvantemekaniske superposition, forskerne kunne sile oplysningerne:Generering af fononerne var dominerende forbundet med spredning (ISRS).

Fremskridt inden for ultrakorte optiske pulser har generationer konstant skubbet til evnen til at undersøge og manipulere strukturelle sammensætninger af materialer. Med grundlaget for sådanne undersøgelser for at forstå vibrationerne i faste stoffer, det næste trin vil indebære at bruge dem som byggesten til transistorer, enheder, elektroniske anordninger, og hvem ved, snart vores fremtid!

Papiret er valgt som et redaktionsforslag på Fysisk gennemgang B .