Квантова інтерферометрія виявляє обраний шлях генерації когерентних фононів

Токійський технологічний інститут


Члени дослідницької групи з лабораторії професора Накамури з Токійського технічного інституту працюють з обладнанням, що використовується для експериментів з надшвидким двоімпульсним  збудженням по методиці «збудження-зондування» (pump-probe)
Джерело: Токійський технологічний інститут

Уявіть собі світ, де комп'ютери можуть зберігати, переміщувати та обробляти інформацію з експоненціальною швидкістю, використовуючи те, що ми називаємо зараз марними коливаннями, що зумовлені теплом і шумом. Хоча подібне може нагадати нам науково-фантастичний фільм, проте з настанням "нано"-епохи, це дуже швидко може стати реальністю.
В авангарді досліджень в галузі квантової фізики знаходиться: квантова фотоніка.

Закони фізики допомагають нам зрозуміти, як що відбувається в природі. Однак, їх застосування до нашого недосконалого життя часто передбачає найбільш ефективні способи використання законів фізики. Оскільки більша частина нашого життя обертається навколо обміну інформацією, винайдення більш швидких способів спілкування завжди була пріоритетом. Більша частина цієї інформації кодується в хвилях і коливаннях, які використовують електромагнітні поля, що поширюються в просторі або в твердих тілах і випадково взаємодіють з частинками в твердотільних пристроях, створюючи марні побічні продукти: тепло і шум.
Ця взаємодія відбувається за двома каналами, а саме, поглинання світла або розсіяння світла, що призводять до випадкового збудження атомів, що складають тверде тіло. Перетворюючи це випадкове збудження частинок в когерентні, добре контрольовані коливання в твердому тілі, ми можемо кардинально змінити ситуацію - замість використання світла, ми можемо використовувати звук (шум!) для передачі інформації. Енергія цих коливань гратки упакована в добре визначені пакети, які називаються фононами.


Проте мета цього полягає у розумінні двох фундаментальних речей - генерації когерентних фононів і їх подальшого часу життя, впродовж якого вони зберігають свою "інформаційно-транспортну здатність". Це було темою питання, на яке дослідники з лабораторії професора Накамури з Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech) прагнули відповісти у співпраці з професором Шикано, який працює в Центрі квантових обчислень, Університет Кейо.

Оптичні фонони використовуються для опису певної моди коливання, яке виникає, коли сусідні атоми гратки рухаються у протилежних напрямках. "Оскільки процеси імпульсного поглинання (IA) та імпульсного стимульованого комбінаційного (раманівського) розсіяння світла (ISRS) викликають такі коливання у кристалічній гратці твердого тіла, які призводять до збудження фононів,» - стверджує Накамура. "Нашою метою було пролити світло на звуження цієї дихотомії." Дослідники використовували спектроскопію надшвидкого двоімпульсного збудженням за методикою "збудження-зондування", де ультракороткий лазерний імпульс розщеплюється на два: більш сильний "збуджуючий", щоб збудити GaAs зразок і більш слабкий "зондуючий", що опромінює "збуджений" зразок. Збуджуючий імпульс розщеплюється на два колінеарні імпульси, але з невеликим зміщенням хвиль для отримання відповідних фазованих імпульсів. Амплітуда фононів підсилюється або послаблюється в смугах, залежно від конструктивної та деструктивної інтерференції (рис. 1 і 2).

Зондуючий пучок зчитує картину інтерференційних смуг, зчитуючи зміни оптичних властивостей (відбивної здатності) зразка, що виникають внаслідок залежних від інтерференційних смуг коливань кристалічної гратки. Цей метод зчитування змін імпульсів хвиль з метою визначення характеристик зразків називається квантовою інтерферометрією.


Двосторонні діаграми Фейнмана для матриць густини станів, що відповідають (a) процесу ISRS та (b) процесу IA.
Тонкі і товсті суцільні лінії являють собою основні і збуджені стани, відповідно; штрихові криві являють собою стан одного LO-фонону; червоні і сині гаусові криві зображають огинаючі першого і другого імпульсів, відповідно, з хвилястими лініями, що відповідають їхнім фотоним пропагаторам.
Джерело: Physical Letter B

Накамура і команда ствержують: "Таким чином, змінюючи затримку часу між імпульсами збудження кроками, меншими, ніж період світлової хвилі і імпульс збудження-зондування, ми змогли детектувати інтерференцію між електронними станами, так само як для оптичних фононів, що показує часові характеристики генерації когерентних фононів за допомогою взаємодії світло-електрон-фонон під час фотозбудження". Виходячи з принципу квантово-механічної суперпозиції, дослідники змогли виділити інформацію: генерація фононів була переважним чином пов'язана з розсіянням (ISRS).

Досягнення у методиці генерації ультракоротких оптичних імпульсів постійно просували здатність до зондування та маніпулювання структурним складом матеріалів. Завдяки фундаментальним засадам, закладеним такими дослідженнями у розумінні коливань в твердих тілах, наступним кроком буде використання їх як будівельних блоків для транзисторів, приладів, електронних пристроїв, і хто знає, незабаром для нашого майбутнього!



Більше інформації:
Kazutaka G. Nakamura et al, Ultrafast quantum-path interferometry revealing the generation process of coherent phonons, Physical Review B (2019).

Оригінал:  phys.org
Переклад:  Наталія Березовська
Редактор перекладу: Ігор Дмитрук