Uma colaboração internacional, liderada por cientistas da Universidade Macquarie, introduziu uma nova técnica de óptica quântica que pode fornecer acesso sem precedentes às propriedades fundamentais das interações luz-matéria em semicondutores.



A pesquisa, publicada em 15 de janeiro na revista Nature Physics , usa uma nova técnica espectroscópica para explorar as interações entre fótons e elétrons na escala quântica.

O professor Thomas Volz, coautor do estudo e líder do grupo de pesquisa da Escola de Ciências Matemáticas e Físicas da Universidade Macquarie, diz que o trabalho tem o potencial de impulsionar um avanço na busca global por tecnologias fotônicas quânticas acessíveis.

“Desenvolvemos uma nova técnica que utiliza a cascata quântica radiativa, onde os fótons armazenados em um material descem uma escada de níveis de energia gerados quando a luz e a matéria interagem”, diz o professor Volz.

"Isso se aplica mesmo quando as interações são tão fracas que os níveis de energia resultantes envolvidos estavam anteriormente muito próximos para serem distinguidos."

Esta capacidade de perscrutar mais de perto o reino quântico possui um potencial imenso.

“Ao compreender como estas minúsculas partículas de luz colaboram, obtemos informações valiosas sobre as propriedades quânticas de materiais sólidos, como os semicondutores”, diz o professor Volz.

A técnica da equipe, que eles apelidaram de "espectroscopia de correlação em cascata de fótons", combina filtragem espectral e análise de correlação de fótons para revelar interações entre excitons-polaritons semicondutores, que são quase partículas compostas de fótons (luz) e matéria (excitons) .

O coautor Dr. Lorenzo Scarpelli, ex-bolsista de pós-doutorado na Universidade Macquarie e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, diz:"A espectroscopia de correlação em cascata de fótons funciona um pouco como um microscópio para fótons.

"Criamos uma imagem dos fótons no tempo, e isso nos diz se eles tendem a viajar juntos ou não, e também nos permite extrair informações sobre a força de sua interação."

Ele diz que a nova técnica da equipe permitiu detectar interações que envolviam estados ligados complexos de três ou mais partículas, que anteriormente só haviam sido teorizadas.

Esta descoberta é importante na óptica quântica porque permite aos cientistas excitar e medir diretamente transições específicas de fótons únicos, permitindo-lhes caracterizar efeitos quânticos sutis de poucas partículas em sistemas de estado sólido e identificar materiais que poderiam funcionar bem em novas aplicações.

“Há uma busca mundial para encontrar materiais que nos permitam controlar como as partículas de luz interagem, para que possamos construir transistores ópticos, interruptores ópticos muito rápidos e processar informações com partículas únicas de luz em vez de elétrons”, diz o professor Volz.

“O material hospedeiro das nossas experiências é o arsenieto de gálio, mas a técnica também pode ser facilmente aplicada a outros materiais, onde podemos esperar ver efeitos físicos ou comportamentos semelhantes.

"Esta técnica nos permitirá obter informações valiosas sobre as propriedades quânticas dos materiais sólidos."

Mais informações: Lorenzo Scarpelli et al, Sondando correlações de muitos corpos usando espectroscopia de correlação em cascata quântica, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02322-x
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade Macquarie