La energía es información. Aumentar el tiempo durante el cual un sistema es capaz de retener energía antes de perderla en el entorno local es un objetivo clave para el desarrollo de información cuántica. Este intervalo se denomina "tiempo de coherencia". Se han realizado varios estudios con el objetivo de retardar la decoherencia.

Un estudio realizado por investigadores del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil, y colaboradores internacionales se propusieron comprender el proceso de decoherencia en el femtosegundo (10 ^-15 s) escala de tiempo. Se publicó un artículo que describe los resultados en Cartas de revisión física .

En el estudio, Se observaron interacciones entre excitones (electrones excitados) y fonones (unidades cuánticas de energía vibratoria en una red cristalina) en la escala de tiempo de femtosegundos. Un femtosegundo es una billonésima de segundo.

El uso de una técnica de espectroscopia ultrarrápida revolucionaria con alta resolución temporal y espectral fue fundamental para el éxito del estudio. Lázaro Aurélio Padilha Jr. fue uno de los principales investigadores del proyecto, y Diogo Burigo Almeida, luego un becario postdoctoral en Michigan, fue uno de los principales autores. El experimento se realizó con nanocristales semiconductores dispersos en una solución coloidal a temperaturas criogénicas.

"Descubrimos que cuando el material se excita [con la luz], la luz que emite cambia de color en menos de 200 femtosegundos. Esto se debe a la interacción entre excitones y fonones. Los excitones transfieren parte de la energía que reciben a la red cristalina. Esto provoca un cambio de frecuencia y, por tanto, un cambio de color de emisión, "Dijo Padilha.

Su estudio fue el primero en observar este fenómeno. "Nunca se había observado antes porque la cantidad de energía transferida de cada excitón a la red es pequeña, correspondiente a 26 milielectrones voltios (26x10 ^-3 eV), y el proceso lleva muy poco tiempo, con una duración inferior a 200 femtosegundos (200x10-15 s). Se han observado fenómenos similares pero en escalas de tiempo mucho mayores y debido a otros procesos. Accedimos a relaciones físicas hasta ahora desconocidas, " él dijo.

Él y su grupo de investigación estudiaron durante mucho tiempo nanomateriales semiconductores con tamaños entre 1 nanómetro y 10 nm. Un gran desafío surge cuando se promueve el crecimiento de estos materiales, ya que cada unidad individual crece de manera diferente; por eso, el espectro de luz emitida por el material después de que se amplía la excitación, con los diversos componentes emitiendo a frecuencias ligeramente diferentes, y el color de la emisión es menos preciso. Cuando se aísla una sola partícula, el espectro se vuelve más estrecho, pero la detección de la señal se retrasa. En otras palabras, se mejora la resolución espectral pero con la pérdida de resolución temporal.

"Hace unos cinco años comenzamos a trabajar con una técnica que puede seleccionar subconjuntos que comprenden unos pocos miles de partículas idénticas de un conjunto de partículas de 1020 nm, ", Dijo Padilha." Esto nos ha permitido lograr una resolución espectral muy fina y precisa, así como una fina resolución temporal. En este estudio, obtuvimos una resolución espectral de una sola partícula para un grupo de partículas en un tiempo excepcionalmente corto ".

Como se ha señalado, esta solución experimental permitió a los investigadores acceder a procesos físicos hasta ahora desconocidos, como la interacción ultrarrápida excitón-fonón. Vale la pena recordar que en la física de la materia condensada, el fonón es una cuasi-partícula asociada con el cuanto de vibración que se propaga en una red cristalina.

No existen aplicaciones tecnológicas inmediatas para los resultados obtenidos, pero en un futuro no muy lejano, El conocimiento de las interacciones físicas en la escala de tiempo de femtosegundos puede ayudar a los científicos a controlar la estructura de los materiales de manera que los excitones retengan la energía de los impulsos eléctricos o de luz durante períodos más prolongados. retardar la decoherencia en sistemas cuánticos.

"Prolongar la coherencia es clave para el éxito de dispositivos como interruptores ópticos y emisores de fotón único, "Dijo Almeida." En realidad, lo que pretendes hacer es reducir al mínimo el desperdicio de energía. Cuando el material cambia de color, significa que está perdiendo energía. Descubrimos que esta pérdida es extremadamente rápida. Eso es lo que queremos retrasar ".