Energia é informação. Prolongar o tempo durante o qual um sistema é capaz de reter energia antes de perdê-la para o ambiente local é uma meta fundamental para o desenvolvimento de informações quânticas. Esse intervalo é chamado de "tempo de coerência". Vários estudos têm sido realizados com o objetivo de retardar a decoerência.

Estudo realizado por pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade de Campinas (IFGW-UNICAMP) no Estado de São Paulo, Brasil, e colaboradores internacionais empenhados em compreender o processo de decoerência no femtossegundo (10 ^-15 s) escala de tempo. Um artigo descrevendo os resultados foi publicado em Cartas de revisão física .

No estudo, interações entre excitons (elétrons excitados) e fônons (unidades quânticas de energia vibracional em uma rede cristalina) foram observadas na escala de tempo de femtossegundos. Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo.

O uso de uma técnica revolucionária de espectroscopia ultrarrápida com alta resolução temporal e espectral foi fundamental para o sucesso do estudo. Lázaro Aurélio Padilha Jr. foi um dos principais pesquisadores do projeto, e Diogo Burigo Almeida, em seguida, um pós-doutorado em Michigan, foi um dos principais autores. O experimento foi realizado com nanocristais semicondutores dispersos em solução coloidal em temperaturas criogênicas.

"Descobrimos que quando o material é excitado [pela luz], a luz que ele emite muda de cor em menos de 200 femtossegundos. Isso se deve à interação entre excitons e fônons. Os excitons transferem parte da energia que recebem para a rede cristalina. Isso causa uma mudança de frequência e, portanto, uma mudança na cor de emissão, "Disse Padilha.

Seu estudo foi o primeiro a observar esse fenômeno. "Isso nunca havia sido observado antes porque a quantidade de energia transferida de cada exciton para a rede é minúscula, correspondendo a 26 milielétrons volts (26x10 ^-3 eV), e o processo leva muito pouco tempo, com duração inferior a 200 femtossegundos (200x10-15 s). Fenômenos semelhantes foram observados, mas em escalas de tempo muito maiores e devido a outros processos. Acessamos relações físicas até então desconhecidas, " ele disse.

Ele e seu grupo de pesquisa estudaram por muito tempo nanomateriais semicondutores com tamanhos entre 1 nanômetro e 10 nm. Um grande desafio surge ao promover o crescimento desses materiais, à medida que cada unidade individual cresce de maneira diferente; portanto, o espectro da luz emitida pelo material após a excitação ser ampliada, com os vários componentes emitindo em frequências ligeiramente diferentes, e a cor da emissão é menos precisa. Quando uma única partícula é isolada, o espectro fica mais estreito, mas a detecção do sinal é retardada. Em outras palavras, a resolução espectral é aumentada, mas com perda de resolução temporal.

"Cerca de cinco anos atrás, começamos a trabalhar com uma técnica que pode selecionar subconjuntos compreendendo alguns milhares de partículas idênticas de um conjunto de partículas de 1020 nm, "Padilha disse." Isso nos permitiu alcançar uma resolução espectral muito fina e precisa, bem como resolução temporal fina. Neste estudo, obtivemos resolução espectral de partícula única para um grupo de partículas em um tempo excepcionalmente curto. "

Como observado, esta solução experimental permitiu aos pesquisadores acessar processos físicos até então desconhecidos, como a interação ultrarrápida do exciton-fônon. Vale lembrar que na física da matéria condensada, o fônon é uma quase partícula associada ao quantum de vibração que se propaga em uma rede cristalina.

Não há aplicações tecnológicas imediatas para os resultados obtidos, mas em um futuro não muito distante, o conhecimento das interações físicas na escala de tempo dos femtossegundos pode ajudar os cientistas a controlar a estrutura dos materiais, de modo que os excitons retêm energia dos impulsos elétricos ou de luz por períodos mais longos, retardando a decoerência em sistemas quânticos.

"Prolongar a coerência é a chave para o sucesso de dispositivos como interruptores ópticos e emissores de fóton único, "Disse Almeida." Na verdade, o que você pretende fazer é reduzir o desperdício de energia ao mínimo. Quando o material muda de cor, significa que está perdendo energia. Descobrimos que essa perda é extremamente rápida. É isso que queremos atrasar. "