Ny kvanteoptik-teknik kaster lys over polariton-interaktioner

Et internationalt samarbejde, ledet af videnskabsmænd fra Macquarie University, har introduceret en ny kvanteoptikteknik, der kan give hidtil uset adgang til de grundlæggende egenskaber ved lys-stof-interaktioner i halvledere.

Forskningen blev offentliggjort 15. januar i tidsskriftet Nature Physics , bruger en ny spektroskopisk teknik til at udforske interaktioner mellem fotoner og elektroner på kvanteskalaen.

Professor Thomas Volz, medforfatter af studiet og forskningsgruppeleder ved Macquarie University's School of Mathematical and Physical Sciences, siger, at arbejdet har potentialet til at drive et gennembrud i den globale søgen efter tilgængelige kvantefotoniske teknologier.

"Vi har udviklet en ny teknik, der bruger den radiative kvantekaskade, hvor fotoner lagret i en materialerejse ned ad en stige af energiniveauer, der genereres, når lys og stof interagerer," siger professor Volz.

"Dette gælder, selv når interaktionerne er så svage, at de resulterende energiniveauer tidligere var for tæt på at skelne."

Denne evne til at kigge nærmere ind i kvanteriget rummer et enormt potentiale.

"Ved at forstå, hvordan disse små lyspartikler samarbejder, får vi værdifuld indsigt i faste materialers kvanteegenskaber, såsom halvledere," siger professor Volz.

Holdets teknik, som de kaldte "foton-kaskade korrelationsspektroskopi," kombinerer spektral filtrering og foton-korrelationsanalyse for at afsløre interaktioner mellem halvleder exciton-polaritoner, som er kvasipartikler, der består af både fotoner (lys) og stof (excitoner) .

Medforfatter Dr. Lorenzo Scarpelli, tidligere postdoc-stipendiat ved Macquarie University og nu postdoc-forsker ved Delft University of Technology i Holland, siger:"Foton-kaskade-korrelationsspektroskopi fungerer lidt som et mikroskop for fotoner.

"Vi skaber et billede-i-tid af fotonerne, og dette fortæller os, om de har tendens til at rejse sammen eller ej, og det giver os også mulighed for at udtrække information om styrken af ​​deres interaktion."

Han siger, at holdets nye teknik gjorde det muligt for dem at detektere interaktioner, der involverede komplekse bundne tilstande af tre eller flere partikler, som tidligere kun var blevet teoretiseret.

Denne opdagelse er vigtig inden for kvanteoptik, fordi den gør det muligt for forskere direkte at excitere og måle specifikke enkeltfotonovergange, hvilket giver dem mulighed for at karakterisere subtile kvanteeffekter med få partikler i faststofsystemer og identificere materialer, der kunne fungere godt i nye applikationer.

"Der er en verdensomspændende søgning for at finde materialer, der giver os mulighed for at kontrollere, hvordan lyspartikler interagerer, så vi kan bygge optiske transistorer, meget hurtige optiske kontakter og foretage informationsbehandling med enkelte lyspartikler i stedet for med elektroner," siger professor Volz.

"Værtsmaterialet for vores eksperimenter er galliumarsenid, men teknikken kan også nemt anvendes på andre materialer, hvor vi kan forvente at se lignende fysiske effekter eller adfærd.

"Denne teknik vil give os mulighed for at få værdifuld indsigt i faste materialers kvanteegenskaber."

Flere oplysninger: Lorenzo Scarpelli et al., Undersøgelse af mange-legeme-korrelationer ved hjælp af kvante-kaskade-korrelationsspektroskopi, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02322-x

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Macquarie University