Styring af elektroner og vibrationer i en krystal med polariseret lys

Kvanteadfærden af ​​atomare vibrationer exciteret i en krystal ved hjælp af lysimpulser har meget at gøre med polariseringen af ​​impulserne, siger materialeforskere fra Tokyo Tech. Resultaterne fra deres seneste undersøgelse tilbyder en ny kontrolparameter til manipulation af kohærent exciterede vibrationer i faste materialer på kvanteniveau.

For det blotte øje, faste stoffer kan virke helt stille, men i virkeligheden, deres konstituerende atomer og molekyler er alt andet end. De roterer og vibrerer, henholdsvis at definere systemets såkaldte "rotations" og "vibrationelle" energitilstande. Da disse atomer og molekyler adlyder kvantefysikkens regler, deres rotation og vibration er, faktisk, diskretiseret, med et diskret "kvante" forestillet som den mindste enhed af en sådan bevægelse. For eksempel, atomvibrationens kvantum er en partikel kaldet "fonon".

Atomiske vibrationer, og derfor fononer, kan genereres i et fast stof ved at skinne lys på det. En almindelig måde at gøre dette på er ved at bruge "ultrakorte" lysimpulser (impulser, der er ti til hundreder af femtosekunder lange) til at excitere og manipulere fononer, en teknik kendt som "kohærent kontrol". Mens fononerne normalt styres ved at ændre den relative fase mellem på hinanden følgende optiske impulser, undersøgelser har afsløret, at lyspolarisering også kan påvirke adfærden af ​​disse "optiske fononer."

Dr. Kazutaka Nakamuras team ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) udforskede den sammenhængende kontrol af langsgående optiske (LO) fononer (dvs. fononer svarende til langsgående vibrationer exciteret af lys) på overfladen af ​​en GaAs (galliumarsenid) enkeltkrystal og observerede en "kvanteinterferens" for både elektroner og fononer for parallel polarisering, mens kun fononinterferens for gensidigt vinkelret polarisering.

"Vi udviklede en kvantemekanisk model med klassiske lysfelter til kohærent kontrol af LO-fononamplituden og anvendte dette på GaAs og diamantkrystaller. vi undersøgte ikke effekterne af polarisationskorrelation mellem lysimpulserne tilstrækkeligt detaljeret, " siger Dr. Nakamura, Lektor ved Tokyo Tech.

Derfor, hans team fokuserede på dette aspekt i en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang B . De modellerede genereringen af ​​LO-fononer i GaAs med to relative faselåste impulser ved hjælp af en forenklet båndmodel og "Raman-spredning, "fænomenet bag fonongenereringen, og beregnede fononamplituderne for forskellige polarisationsforhold.

Deres model forudsagde både elektron- og fononinterferens for parallelpolariserede impulser som forventet, uden afhængighed af krystalorientering eller intensitetsforholdet for tilladt og forbudt Raman-spredning. For vinkelret polariserede impulser, modellen forudsagde kun fononinterferens i en vinkel på 45° fra [100] krystalretningen. Imidlertid, når en af ​​pulserne blev rettet langs [100], elektroninterferens blev exciteret af tilladt Raman-spredning.

Med sådanne indsigter, holdet ser frem til en bedre sammenhængende kontrol af optiske fononer i krystaller. "Vores undersøgelse viser, at polarisering spiller en ganske vigtig rolle i excitationen og detekteringen af ​​kohærente fononer og vil være særligt relevant for materialer med asymmetriske interaktionstilstande, såsom vismut, som har mere end to optiske phonon-tilstande og elektroniske tilstande. Vores resultater kan således udvides til andre materialer, " siger Nakamura.