El comportamiento cuántico de las vibraciones atómicas excitadas en un cristal mediante pulsos de luz tiene mucho que ver con la polarización de los pulsos, dicen los científicos de materiales de Tokyo Tech. Los hallazgos de su último estudio ofrecen un nuevo parámetro de control para la manipulación de vibraciones excitadas coherentemente en materiales sólidos a nivel cuántico.

A simple vista los sólidos pueden parecer perfectamente quietos, Pero en la realidad, sus átomos y moléculas constituyentes son todo lo contrario. Giran y vibran, definiendo respectivamente los estados de energía denominados "rotacional" y "vibracional" del sistema. Como estos átomos y moléculas obedecen las reglas de la física cuántica, su rotación y vibración son, De hecho, discretizado, con un "cuanto" discreto imaginado como la unidad más pequeña de tal movimiento. Por ejemplo, el cuanto de vibración atómica es una partícula llamada "fonón".

Vibraciones atómicas, y por lo tanto fonones, se puede generar en un sólido al iluminarlo. Una forma habitual de hacerlo es mediante el uso de pulsos de luz "ultracortos" (pulsos que tienen decenas a cientos de femtosegundos de duración) para excitar y manipular fonones. una técnica conocida como "control coherente". Si bien los fonones generalmente se controlan cambiando la fase relativa entre pulsos ópticos consecutivos, Los estudios han revelado que la polarización de la luz también puede influir en el comportamiento de estos "fonones ópticos".

El equipo del Dr. Kazutaka Nakamura en el Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) exploró el control coherente de los fonones ópticos longitudinales (LO) (es decir, fonones correspondientes a vibraciones longitudinales excitadas por la luz) en la superficie de un monocristal de GaAs (arseniuro de galio) y observaron una "interferencia cuántica" tanto para electrones como para fonones para polarización paralela, mientras que sólo interferencias de fonones para polarización mutuamente perpendicular.

"Desarrollamos un modelo mecánico cuántico con campos de luz clásicos para el control coherente de la amplitud del fonón LO y lo aplicamos a GaAs y cristales de diamante. Sin embargo, no estudiamos los efectos de la correlación de polarización entre los pulsos de luz con suficiente detalle, "dice el Dr. Nakamura, Profesor asociado en Tokyo Tech.

Respectivamente, su equipo se centró en este aspecto en un nuevo estudio publicado en Revisión física B . Modelaron la generación de fonones LO en GaAs con dos pulsos de fase relativa bloqueados utilizando un modelo de banda simplificado y "dispersión Raman, "el fenómeno subyacente a la generación de fonones, y calculó las amplitudes de fonón para diferentes condiciones de polarización.

Su modelo predijo la interferencia de electrones y fonones para pulsos polarizados en paralelo como se esperaba, sin dependencia de la orientación del cristal o la relación de intensidad para la dispersión Raman permitida y prohibida. Para pulsos polarizados perpendicularmente, el modelo solo predijo la interferencia de fonones en un ángulo de 45 ° desde la dirección del cristal [100]. Sin embargo, cuando uno de los pulsos se dirigió a lo largo de [100], la interferencia de electrones fue excitada por la dispersión Raman permitida.

Con tales conocimientos, el equipo espera un mejor control coherente de los fonones ópticos en los cristales. “Nuestro estudio demuestra que la polarización juega un papel muy importante en la excitación y detección de fonones coherentes y sería especialmente relevante para materiales con modos de interacción asimétricos, como el bismuto, que tiene más de dos modos de fonón óptico y estados electrónicos. Por tanto, nuestros resultados pueden extenderse a otros materiales, "dice Nakamura.