Il membro del team di ricerca del Professor Nakamura Laboratory presso Tokyo Tech, lavorare con l'attrezzatura utilizzata per gli esperimenti ultraveloci a doppia pompa-sonda. Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology e della Keio University hanno studiato l'eccitazione e il rilevamento di fononi coerenti fotogenerati nel semiconduttore polare GaAs attraverso un laser a doppia sonda ultraveloce per l'interferometria quantistica.
Immagina un mondo in cui i computer possono memorizzare, spostare, ed elaborare le informazioni a velocità esponenziali utilizzando quelle che attualmente chiamiamo vibrazioni di scarto:calore e rumore. Anche se questo potrebbe ricordarci un film di fantascienza, con l'avvento della nano-età, questo sarà molto presto realtà. In prima linea c'è la ricerca in un ramo del regno quantistico:la fotonica quantistica.
Le leggi della fisica ci aiutano a capire i modi efficienti della natura. Però, la loro applicazione alle nostre vite imperfette implica spesso i modi più efficienti di utilizzare le leggi della fisica. Poiché la maggior parte della nostra vita ruota attorno allo scambio di informazioni, trovare modi più veloci di comunicare è sempre stata una priorità. La maggior parte di queste informazioni è codificata nelle onde e nelle vibrazioni che utilizzano campi elettromagnetici che si propagano nello spazio o nei solidi e interagiscono casualmente con le particelle nei dispositivi solidi, creando sottoprodotti dispendiosi:calore e rumore. Questa interazione si propaga attraverso due canali, assorbimento della luce o diffusione della luce, entrambi portano all'eccitazione casuale degli atomi che compongono il solido. Convertendo questa eccitazione casuale delle particelle in coerente, vibrazioni ben controllate del solido, possiamo capovolgere le carte in tavola, invece di usare la luce, possiamo usare il suono (rumore!) per trasportare le informazioni. L'energia di questa vibrazione reticolare è impacchettata in fasci ben definiti chiamati fononi.
Frange di interferenza di (a) fononi ottici longitudinali coerenti (LO) e (b) oscillazione coerente dell'oscillazione accoppiata fonone-plasmone LO in GaAs di tipo n e (c) interferenza ottica degli impulsi di pompa. Le oscillazioni veloci (periodo di ~2,7 fs) in (a) e (b) sono dovute all'interferenza tra gli stati elettronici. Credito:lettera fisica B
Però, lo scopo di questo si basa sulla comprensione di due punti fondamentali:la generazione dei fononi coerenti e la loro successiva vita per la quale conserva la sua "capacità di trasportare informazioni". Questo era il tema della domanda a cui hanno cercato di rispondere i ricercatori del laboratorio di Nakamura al Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) con la collaborazione del Prof. Shikano, che lavora al Quantum Computing Center, Keio University.
I fononi ottici sono usati per descrivere un certo modo di vibrazione, che si verifica quando gli atomi vicini del reticolo si muovono nella direzione opposta. "Poiché l'assorbimento impulsivo (IA) e lo scattering Raman stimolato impulsivo (ISRS) causano lo zapping di tali vibrazioni nel reticolo solido che porta alla creazione di fononi, " afferma Nakamura, "Il nostro obiettivo era far luce sul restringimento di questa dicotomia". I ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia a doppia pompa-sonda, dove un impulso laser ultraveloce viene suddiviso in una "pompa" più forte per eccitare il campione di GaAs e un raggio "sonda" più debole irradiato sul campione "scosso". L'impulso della pompa è diviso in due impulsi collineari ma con un leggero spostamento nel loro modello d'onda per produrre impulsi relativi ad aggancio di fase. L'ampiezza del fonone è aumentata o soppressa nelle frange, a seconda dell'interferenza costruttiva e distruttiva (Figg. 1 e 2).
Il raggio della sonda legge il modello di frangia di interferenza leggendo i cambiamenti nelle proprietà ottiche (riflettività) del campione che si verificano a causa delle vibrazioni dipendenti dal modello di frangia nel reticolo. Questo metodo di lettura dei cambiamenti negli impulsi d'onda per determinare le caratteristiche del campione è chiamato interferometria quantistica.
Diagrammi di Feynman a doppia faccia per le matrici di densità corrispondenti a (a) il processo ISRS e (b) il processo IA. Le linee solide sottili e spesse rappresentano gli stati fondamentale ed eccitato, rispettivamente; le curve tratteggiate rappresentano lo stato un-LO-fonone; le curve gaussiane rossa e blu rappresentano l'inviluppo dell'impulso del primo e del secondo impulso, rispettivamente, con le linee ondulate i loro propagatori di fotoni. Credito:lettera fisica B
Nakamura e lo stato della squadra, "Così, variando il ritardo tra gli impulsi della pompa in passi più brevi del ciclo di luce e dell'impulso della pompa-sonda, potremmo rilevare l'interferenza tra gli stati elettronici così come quella dei fononi ottici, che mostra le caratteristiche temporali della generazione di fononi coerenti tramite interazioni luce-elettrone-fonone durante la fotoeccitazione." Dalla sovrapposizione quantomeccanica, i ricercatori hanno potuto setacciare le informazioni:la generazione dei fononi era prevalentemente legata allo scattering (ISRS).
I progressi nelle generazioni di impulsi ottici ultracorti hanno continuamente spinto la capacità di sondare e manipolare la composizione strutturale dei materiali. Con le basi poste da tali studi nella comprensione delle vibrazioni nei solidi, il prossimo passo consisterà nell'utilizzarli come elementi costitutivi per i transistor, dispositivi, dispositivi elettronici, e chi lo sa, presto il nostro futuro!
Il documento è stato selezionato come suggerimento dell'editore presso Revisione fisica B .
