L'energia è informazione. Allungare il tempo durante il quale un sistema è in grado di trattenere energia prima di perderla nell'ambiente locale è un obiettivo chiave per lo sviluppo dell'informazione quantistica. Questo intervallo è chiamato "tempo di coerenza". Diversi studi sono stati condotti con l'obiettivo di ritardare la decoerenza.

Uno studio condotto dai ricercatori dell'Istituto di Fisica Gleb Wataghin dell'Università di Campinas (IFGW-UNICAMP) nello Stato di San Paolo, Brasile, e collaboratori internazionali si sono proposti di comprendere il processo di decoerenza sul femtosecondo (10 ^-15 s) tempistica. Un articolo che descrive i risultati è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Nello studio, le interazioni tra eccitoni (elettroni eccitati) e fononi (unità quantistiche di energia vibrazionale in un reticolo cristallino) sono state osservate sulla scala temporale dei femtosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo.

L'utilizzo di una rivoluzionaria tecnica di spettroscopia ultraveloce ad alta risoluzione temporale e spettrale è stato fondamentale per il successo dello studio. Lázaro Aurélio Padilha Jr. è stato uno dei principali investigatori del progetto, e Diogo Burigo Almeida, poi un borsista post-dottorato al Michigan, fu uno dei principali autori. L'esperimento è stato eseguito con nanocristalli semiconduttori dispersi in una soluzione colloidale a temperature criogeniche.

"Abbiamo scoperto che quando il materiale è eccitato [dalla luce], la luce che emette cambia colore in meno di 200 femtosecondi. Ciò è dovuto all'interazione tra eccitoni e fononi. Gli eccitoni trasferiscono parte dell'energia che ricevono al reticolo cristallino. Ciò provoca un cambiamento di frequenza e quindi un cambiamento di colore di emissione, " disse Padilha.

Il loro studio è stato il primo ad osservare questo fenomeno. "Non era mai stato osservato prima perché la quantità di energia trasferita da ciascun eccitone al reticolo è minuscola, corrispondente a 26 millielettronvolt (26x10 ^-3 eV), e il processo richiede un tempo molto breve, durata inferiore a 200 femtosecondi (200x10-15 s). Fenomeni simili sono stati osservati ma su tempistiche ben maggiori e dovute ad altri processi. Abbiamo avuto accesso a relazioni fisiche finora sconosciute, " Egli ha detto.

Lui e il suo gruppo di ricerca hanno studiato a lungo i nanomateriali semiconduttori con dimensioni comprese tra 1 nanometro e 10 nm. Una grande sfida sorge quando si promuove la crescita di questi materiali, poiché ogni singola unità cresce in modo diverso; quindi, lo spettro di luce emesso dal materiale dopo l'eccitazione è ampliato, con i vari componenti che emettono a frequenze leggermente diverse, e il colore dell'emissione è meno preciso. Quando una singola particella è isolata, lo spettro si restringe, ma il rilevamento del segnale è ritardato. In altre parole, la risoluzione spettrale è migliorata ma a scapito della risoluzione temporale.

"Circa cinque anni fa abbiamo iniziato a lavorare con una tecnica in grado di individuare sottoinsiemi comprendenti alcune migliaia di particelle identiche da un insieme di particelle da 1020 nm, " Padilha ha detto. "Questo ci ha permesso di ottenere una risoluzione spettrale molto fine e precisa, così come la risoluzione temporale fine. In questo studio, abbiamo ottenuto la risoluzione spettrale di una singola particella per un gruppo di particelle in un tempo eccezionalmente breve."

Come notato, questa soluzione sperimentale ha permesso ai ricercatori di accedere a processi fisici finora sconosciuti, come l'interazione eccitone-fonone ultraveloce. Vale la pena ricordare che nella fisica della materia condensata, il fonone è una quasi-particella associata al quanto di vibrazione che si propaga in un reticolo cristallino.

Non ci sono applicazioni tecnologiche immediate per i risultati ottenuti, ma in un futuro non troppo lontano, la conoscenza delle interazioni fisiche sulla scala temporale dei femtosecondi può aiutare gli scienziati a controllare la struttura dei materiali in modo tale che gli eccitoni trattengono l'energia dagli impulsi elettrici o luminosi per periodi più lunghi, ritardare la decoerenza nei sistemi quantistici.

"Prolungare la coerenza è la chiave del successo di dispositivi come interruttori ottici ed emettitori di fotoni singoli, " Disse Almeida. "In realtà, ciò che si vuole fare è ridurre al minimo gli sprechi energetici. Quando il materiale cambia colore, significa che sta perdendo energia. Abbiamo scoperto che questa perdita è estremamente veloce. Questo è ciò che vogliamo ritardare".