O membro da equipe de pesquisa do Professor Nakamura Laboratory da Tokyo Tech, trabalhar com o equipamento usado para os experimentos ultra-rápidos de dupla bomba-sonda. Crédito:Instituto de Tecnologia de Tóquio
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio e da Universidade Keio investigaram a excitação e detecção de fônons coerentes fotogerados em GaAs semicondutores polares por meio de um laser de sonda de bomba dupla ultrarrápido para interferometria quântica.
Imagine um mundo onde os computadores podem armazenar, mover, e processar informações em velocidades exponenciais usando o que atualmente chamamos de vibrações residuais - calor e ruído. Embora isso possa nos lembrar de um filme de ficção científica, com o advento da nano-idade, isso muito em breve será realidade. Na vanguarda disso está a pesquisa em um ramo do reino quântico:a fotônica quântica.
As leis da física nos ajudam a entender os meios eficientes da natureza. Contudo, sua aplicação a nossas vidas imperfeitas freqüentemente envolve as maneiras mais eficientes de utilizar as leis da física. Como a maior parte de nossas vidas gira em torno da troca de informações, criar formas mais rápidas de comunicação sempre foi uma prioridade. A maioria dessas informações é codificada nas ondas e vibrações que utilizam campos eletromagnéticos que se propagam no espaço ou sólidos e interagem aleatoriamente com as partículas em dispositivos sólidos, criando subprodutos inúteis:calor e ruído. Essa interação se propaga por meio de dois canais, absorção de luz ou espalhamento pela luz, ambos levando à excitação aleatória de átomos que constituem o sólido. Ao converter essa excitação aleatória de partículas em coerente, vibrações bem controladas do sólido, podemos virar o jogo - em vez de usar luz, podemos usar som (ruído!) para transportar informações. A energia dessa vibração de rede é embalada em feixes bem definidos chamados fônons.
Franjas de interferência de (a) fônons ópticos longitudinais coerentes (LO) e (b) oscilação coerente da oscilação acoplada fônon-plasmão LO em GaAs tipo n e (c) interferência óptica dos pulsos da bomba. Oscilações rápidas (período de ~ 2,7 fs) em (a) e (b) são devido à interferência entre estados eletrônicos. Crédito:Carta Física B
Contudo, o escopo disso depende da compreensão de dois pontos fundamentais - a geração dos fônons coerentes e sua vida útil subsequente, para a qual retém sua "capacidade de transporte de informações". Este foi o tema da pergunta que pesquisadores do laboratório de Nakamura no Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) buscaram responder sob a colaboração do Prof. Shikano, que está trabalhando no Quantum Computing Center, Universidade Keio.
Fônons ópticos são usados para descrever um certo modo de vibração, que ocorre quando os átomos vizinhos da rede se movem na direção oposta. "Como a absorção impulsiva (IA) e o espalhamento Raman impulsivo estimulado (ISRS) causam o zapping de tais vibrações na estrutura sólida, levando à criação de fônons, "afirma Nakamura, "nosso objetivo era lançar luz sobre como estreitar essa dicotomia." Os pesquisadores utilizaram espectroscopia de bomba dupla, onde um pulso de laser ultrarrápido é dividido em uma "bomba" mais forte para excitar a amostra de GaAs e um feixe de "sonda" mais fraco irradiado na amostra "agitada". O pulso da bomba é dividido em dois pulsos colineares, mas com uma ligeira mudança em seu padrão de onda para produzir pulsos de fase relativa. A amplitude do fônon é aumentada ou suprimida nas franjas, dependendo da interferência construtiva e destrutiva (Figs. 1 e 2).
O feixe de prova lê o padrão de franja de interferência lendo as alterações nas propriedades ópticas (refletividade) da amostra que surgem devido às vibrações dependentes do padrão de franja na rede. Este método de leitura das mudanças nos pulsos de onda para determinar as características da amostra é chamado de interferometria quântica.
Diagramas de Feynman de dupla face para as matrizes de densidade correspondentes (a) ao processo ISRS e (b) ao processo IA. As linhas sólidas finas e grossas representam os estados básicos e excitados, respectivamente; as curvas tracejadas representam o estado de um-LO-fônon; as curvas gaussianas vermelhas e azuis representam o envelope de pulso do primeiro e do segundo pulsos, respectivamente, com as linhas onduladas seus propagadores de fótons. Crédito:Carta Física B
Nakamura e o estado da equipe, "Assim, variando o atraso de tempo entre os pulsos da bomba em etapas mais curtas do que o ciclo de luz e o pulso da sonda da bomba, pudemos detectar a interferência entre os estados eletrônicos, bem como entre os fônons ópticos, que mostra as características temporais da geração de fônons coerentes via interações luz-elétron-fônon durante a fotoexcitação. "A partir da superposição da mecânica quântica, os pesquisadores conseguiram filtrar as informações:a geração dos fônons estava predominantemente ligada ao espalhamento (ISRS).
Os avanços nas gerações de pulsos ópticos ultracurtos impulsionaram continuamente a capacidade de sondar e manipular a composição estrutural dos materiais. Com as bases estabelecidas por tais estudos na compreensão das vibrações em sólidos, a próxima etapa envolverá usá-los como blocos de construção para transistores, dispositivos, dispositivos eletrônicos, e quem sabe, em breve nosso futuro!
O artigo foi selecionado como sugestão do editor em Revisão Física B .
