O comportamento quântico das vibrações atômicas excitadas em um cristal usando pulsos de luz tem muito a ver com a polarização dos pulsos, dizem cientistas de materiais da Tokyo Tech. As descobertas de seu último estudo oferecem um novo parâmetro de controle para a manipulação de vibrações excitadas de forma coerente em materiais sólidos no nível quântico.

A olho nu, sólidos podem parecer perfeitamente estáticos, Mas na realidade, seus átomos e moléculas constituintes são tudo menos isso. Eles giram e vibram, definindo respectivamente os chamados estados de energia "rotacional" e "vibracional" do sistema. Como esses átomos e moléculas obedecem às regras da física quântica, sua rotação e vibração são, na verdade, discretizado, com um "quantum" discreto imaginado como a menor unidade desse movimento. Por exemplo, o quantum da vibração atômica é uma partícula chamada "fônon".

Vibrações atômicas, e, portanto, fônons, pode ser gerado em um sólido iluminando-o. Uma maneira comum de fazer isso é usando pulsos de luz "ultracurtos" (pulsos de dezenas a centenas de femtossegundos) para excitar e manipular os fônons, uma técnica conhecida como "controle coerente". Embora os fônons sejam geralmente controlados pela mudança da fase relativa entre pulsos ópticos consecutivos, estudos revelaram que a polarização da luz também pode influenciar o comportamento desses "fônons ópticos".

A equipe do Dr. Kazutaka Nakamura no Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) explorou o controle coerente de fônons ópticos longitudinais (LO) (ou seja, fônons correspondentes a vibrações longitudinais excitadas pela luz) na superfície de um cristal único de GaAs (arsenieto de gálio) e observaram uma "interferência quântica" para elétrons e fônons para polarização paralela, enquanto apenas interferência de fônons para polarização mutuamente perpendicular.

"Desenvolvemos um modelo de mecânica quântica com campos de luz clássicos para o controle coerente da amplitude do fônon LO e aplicamos isso a GaAs e cristais de diamante. No entanto, não estudamos os efeitos da correlação de polarização entre os pulsos de luz em detalhes suficientes, "diz o Dr. Nakamura, Professor Associado da Tokyo Tech.

De acordo, sua equipe se concentrou neste aspecto em um novo estudo publicado em Revisão Física B . Eles modelaram a geração de fônons LO em GaAs com dois pulsos de fase bloqueada usando um modelo de banda simplificado e "espalhamento Raman, "o fenômeno subjacente à geração de fônons, e calculou as amplitudes dos fônons para diferentes condições de polarização.

Seu modelo previu interferência de elétron e fônon para pulsos polarizados paralelamente, conforme esperado, sem dependência da orientação do cristal ou da razão de intensidade para espalhamento Raman permitido e proibido. Para pulsos perpendicularmente polarizados, o modelo apenas previu a interferência do fônon em um ângulo de 45 ° da direção do cristal [100]. Contudo, quando um dos pulsos foi direcionado ao longo de [100], a interferência de elétrons foi estimulada pelo espalhamento Raman permitido.

Com essas percepções, a equipe espera um controle mais coerente dos fônons ópticos nos cristais. "Nosso estudo demonstra que a polarização desempenha um papel muito importante na excitação e detecção de fônons coerentes e seria especialmente relevante para materiais com modos de interação assimétricos, como o bismuto, que tem mais de dois modos de fônon ópticos e estados eletrônicos. Nossas descobertas são, portanto, extensíveis a outros materiais, "diz Nakamura.