Ultrahurtige partikelinteraktioner kan gøre kvanteinformationsenheder mulige

Energi er information. Forlængelse af den tid, hvor et system er i stand til at tilbageholde energi, før det mister det til lokalmiljøet, er et centralt mål for udviklingen af ​​kvanteinformation. Dette interval kaldes "kohærenstiden". Der er udført flere undersøgelser med det formål at hæmme dekohærens.

En undersøgelse udført af forskere ved University of Campinas' Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) i São Paulo State, Brasilien, og internationale samarbejdspartnere satte sig for at forstå dekohærensprocessen på femtosekundet (10 ^-15 s) tidshorisont. En artikel, der beskriver resultaterne, blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

I undersøgelsen, interaktioner mellem excitoner (exciterede elektroner) og fononer (kvanteenheder af vibrationsenergi i et krystalgitter) blev observeret på femtosekunds tidsskala. Et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund.

Brugen af ​​en revolutionerende ultrahurtig spektroskopiteknik med høj tidsmæssig og spektral opløsning var fundamental for undersøgelsens succes. Lázaro Aurélio Padilha Jr. var en af ​​de vigtigste efterforskere af projektet, og Diogo Burigo Almeida, derefter postdoc ved Michigan, var en af ​​hovedforfatterne. Forsøget blev udført med halvledende nanokrystaller dispergeret i en kolloid opløsning ved kryogene temperaturer.

"Vi fandt ud af, at når materialet exciteres [af lys], lyset, det udsender, skifter farve på under 200 femtosekunder. Dette skyldes interaktion mellem excitoner og fononer. Excitonerne overfører en del af den energi, de modtager, til krystalgitteret. Dette forårsager en ændring af frekvens og dermed en ændring af emissionsfarve, " sagde Padilha.

Deres undersøgelse var den første til at observere dette fænomen. "Det var aldrig blevet observeret før, fordi mængden af ​​energi, der overføres fra hver exciton til gitteret, er lille, svarende til 26 millielektron volt (26x10 ^-3 eV), og processen tager meget kort tid, varer under 200 femtosekunder (200x10-15 s). Lignende fænomener er blevet observeret, men på langt større tidsskalaer og på grund af andre processer. Vi fik adgang til hidtil ukendte fysiske forhold, " han sagde.

Han og hans forskergruppe har længe studeret halvledernanomaterialer med størrelser mellem 1 nanometer og 10 nm. En stor udfordring opstår, når man skal fremme væksten af ​​disse materialer, da hver enkelt enhed vokser forskelligt; derfor, spektret af lys, der udsendes af materialet efter excitation, er udvidet, med de forskellige komponenter, der udsender ved lidt forskellige frekvenser, og farven på emissionen er mindre præcis. Når en enkelt partikel er isoleret, spektret bliver smallere, men signaldetektion er forsinket. Med andre ord, spektral opløsning forbedres, men ved tab af tidsmæssig opløsning.

"For omkring fem år siden begyndte vi at arbejde med en teknik, der kan udvælge delmængder bestående af et par tusinde identiske partikler fra et sæt af 1020 nm partikler, " sagde Padilha. "Dette har gjort det muligt for os at opnå en meget fin og præcis spektral opløsning, samt fin tidsmæssig opløsning. I dette studie, vi opnåede enkelt-partikel spektral opløsning for en gruppe af partikler på en usædvanlig kort tid."

Som nævnt, denne eksperimentelle løsning gjorde det muligt for forskerne at få adgang til hidtil ukendte fysiske processer, såsom den ultrahurtige exciton-phonon-interaktion. Det er værd at huske på, at i kondenseret fysik fysik, fononen er en kvasipartikel forbundet med det vibrationskvantum, der forplanter sig i et krystalgitter.

Der er ingen umiddelbare teknologiske anvendelser for de opnåede resultater, men i en ikke alt for fjern fremtid, viden om fysiske interaktioner på femtosekunds tidsskala kan hjælpe forskere med at kontrollere strukturen af ​​materialer, således at excitoner bevarer energi fra elektriske eller lysimpulser i længere perioder, hæmmer dekohærens i kvantesystemer.

"Forlængelse af sammenhæng er nøglen til succes med enheder som optiske switche og enkeltfotonemittere, "Sagde Almeida." Faktisk, hvad du vil gøre er at reducere energispild til et minimum. Når materialet skifter farve, det betyder, at den mister energi. Vi opdagede, at dette tab er ekstremt hurtigt. Det er det, vi vil forsinke«.