Fônons são unidades discretas de energia vibracional previstas pela mecânica quântica que correspondem a oscilações coletivas de átomos dentro de uma molécula ou cristal. Quando essas vibrações são produzidas pela luz interagindo com um material, a energia vibracional pode ser transferida para frente e para trás entre fônons individuais e pacotes individuais de energia luminosa, os fótons. Este processo é denominado efeito Raman.

Em um novo estudo, o laboratório de Christophe Galland no Instituto de Física da EPFL desenvolveu uma técnica de medição, em tempo real e em temperatura ambiente, a criação e destruição de fônons individuais, abrindo possibilidades interessantes em vários campos, como espectroscopia e tecnologias quânticas.

A técnica usa pulsos de laser ultracurtos, que são rajadas de luz que duram menos de 10 ^-13 segundos (uma fração de um trilionésimo de segundo). Primeiro, um desses pulsos é disparado em um cristal de diamante para excitar um único fônon dentro dele. Quando isso acontece, um fóton parceiro é criado em um novo comprimento de onda por meio do efeito Raman e é observado com um detector especializado, anunciando o sucesso da etapa de preparação.

Segundo, para interrogar o cristal e sondar o fônon recém-criado, os cientistas disparam outro pulso de laser no diamante. Graças a outro detector, eles agora registram fótons que reabsorveram a energia da vibração. Esses fótons são testemunhas de que o fônon ainda estava vivo, o que significa que o cristal ainda estava vibrando com exatamente a mesma energia.

Isso está em forte contradição com a nossa intuição:estamos acostumados a ver objetos vibrantes perderem progressivamente sua energia com o tempo, como uma corda de violão cujo som desaparece. Mas na mecânica quântica isso é "tudo ou nada":o cristal ou vibra com uma energia específica ou está em seu estado de repouso; não há nenhum estado permitido entre eles. A decadência do fônon ao longo do tempo é, portanto, observada como uma diminuição da probabilidade de encontrá-lo no estado excitado em vez de saltar para o estado de repouso.

Por meio dessa abordagem, os cientistas puderam reconstruir o nascimento e a morte de um único fônon analisando a saída dos dois detectores de fótons. "Na linguagem da mecânica quântica, o ato de medir o sistema após o primeiro pulso cria um estado quântico bem definido do fônon, que é testado pelo segundo pulso, "diz Christophe Galland." Podemos, portanto, mapear o decaimento do fônon com uma resolução de tempo muito fina, alterando o atraso de tempo entre os pulsos de zero a alguns trilionésimos de segundo (10 ^-12 segundos ou picossegundos). "

A nova técnica pode ser aplicada a muitos tipos diferentes de materiais, de cristais em massa até moléculas individuais. Também pode ser refinado para criar estados quânticos vibracionais mais exóticos, como estados emaranhados onde a energia é "deslocalizada" em dois modos vibracionais. E tudo isso pode ser realizado em condições ambientais, destacando que fenômenos quânticos exóticos podem ocorrer em nossa vida diária - só precisamos observar bem rápido.