El miembro del equipo de investigación del Laboratorio del Profesor Nakamura en Tokyo Tech, trabajar con el equipo utilizado para los experimentos ultrarrápidos de doble bomba-sonda. Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
Científicos del Instituto de Tecnología de Tokio y la Universidad de Keio investigaron la excitación y detección de fonones coherentes fotogenerados en semiconductores polares GaAs a través de un láser de sonda de bomba dual ultrarrápido para interferometría cuántica.
Imagina un mundo donde las computadoras puedan almacenar moverse, y procesar información a velocidades exponenciales utilizando lo que actualmente denominamos vibraciones de desperdicio:calor y ruido. Si bien esto puede recordarnos a una película de ciencia ficción, con la llegada de la nano-era, esto muy pronto se hará realidad. A la vanguardia de esto está la investigación en una rama del reino cuántico:la fotónica cuántica.
Las leyes de la física nos ayudan a comprender las formas eficientes de la naturaleza. Sin embargo, su aplicación a nuestras vidas imperfectas a menudo implica las formas más eficientes de utilizar las leyes de la física. Debido a que la mayor parte de nuestras vidas giran en torno al intercambio de información, Siempre ha sido una prioridad idear formas más rápidas de comunicarse. La mayor parte de esta información está codificada en ondas y vibraciones que utilizan campos electromagnéticos que se propagan en el espacio o en sólidos e interactúan aleatoriamente con las partículas en dispositivos sólidos. creando subproductos derrochadores:calor y ruido. Esta interacción se propaga a través de dos canales, absorción de luz o dispersión por luz, ambos conducen a la excitación aleatoria de los átomos que componen el sólido. Al convertir esta excitación aleatoria de partículas en coherente, vibraciones bien controladas del sólido, podemos cambiar las tornas, en lugar de usar la luz, podemos usar sonido (¡ruido!) para transportar información. La energía de esta vibración reticular está empaquetada en paquetes bien definidos llamados fonones.
Franjas de interferencia de (a) fonones ópticos longitudinales coherentes (LO) y (b) oscilación coherente de la oscilación acoplada de fonón-plasmón LO en GaAs de tipo n y (c) interreferencia óptica de los pulsos de bombeo. Las oscilaciones rápidas (período de ~ 2,7 fs) en (a) y (b) se deben a la interferencia entre estados electrónicos. Crédito:Letra Física B
Sin embargo, el alcance de esto se basa en la comprensión de dos puntos fundamentales:la generación de fonones coherentes y su vida posterior, durante la cual conserva su "capacidad de transporte de información". Este fue el tema de la pregunta que los investigadores del laboratorio de Nakamura en el Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) buscaron responder con la colaboración del profesor Shikano, que trabaja en Quantum Computing Center, Universidad de Keio.
Los fonones ópticos se utilizan para describir un cierto modo de vibración, que ocurre cuando los átomos vecinos de la red se mueven en la dirección opuesta. "Debido a que la absorción impulsiva (IA) y la dispersión Raman estimulada impulsivamente (ISRS) provocan el zapping de tales vibraciones en la red sólida que conduce a la creación de fonones, "afirma Nakamura, "Nuestro objetivo era arrojar luz sobre cómo reducir esta dicotomía". Los investigadores utilizaron espectroscopía de sonda de bomba dual, donde un pulso de láser ultrarrápido se divide en una "bomba" más fuerte para excitar la muestra de GaAs y un haz de "sonda" más débil irradiado sobre la muestra "agitada". El pulso de la bomba se divide en dos pulsos colineales pero con un ligero cambio en su patrón de onda para producir pulsos de fase relativa. La amplitud del fonón se mejora o se suprime en franjas, dependiendo de la interferencia constructiva y destructiva (Figs. 1 y 2).
El haz de la sonda lee el patrón de franjas de interferencia leyendo los cambios en las propiedades ópticas (reflectividad) de la muestra que surgen debido a las vibraciones dependientes del patrón de franjas en la red. Este método de leer los cambios en los pulsos de onda para determinar las características de la muestra se llama interferometría cuántica.
Diagramas de Feynman de doble cara para las matrices de densidad correspondientes a (a) el proceso ISRS y (b) el proceso IA. Las líneas sólidas delgadas y gruesas representan el suelo y los estados excitados, respectivamente; las curvas de trazos representan el estado de un fonón LO; las curvas gaussianas roja y azul representan la envolvente de pulso del primero y segundo pulsos, respectivamente, con las líneas onduladas sus propagadores de fotones. Crédito:Letra Física B
Nakamura y el estado del equipo, "Por lo tanto, variando el tiempo de retardo entre los pulsos de la bomba en pasos más cortos que el ciclo de luz y el pulso de la sonda de la bomba, pudimos detectar la interferencia entre estados electrónicos así como la de fonones ópticos, que muestra las características temporales de la generación de fonones coherentes a través de interacciones luz-electrón-fonón durante la fotoexcitación ". De la superposición mecánica cuántica, los investigadores pudieron filtrar la información:la generación de fonones estaba predominantemente ligada a la dispersión (ISRS).
Los avances en las generaciones de pulsos ópticos ultracortos han impulsado continuamente la capacidad de sondear y manipular la composición estructural de los materiales. Con los cimientos sentados por tales estudios para comprender las vibraciones en sólidos, el siguiente paso consistirá en usarlos como bloques de construcción para transistores, dispositivos, dispositivos electrónicos, y quien sabe, pronto nuestro futuro!
El artículo ha sido seleccionado como sugerencia del editor en Revisión física B .
