Il comportamento quantistico delle vibrazioni atomiche eccitate in un cristallo usando impulsi luminosi ha molto a che fare con la polarizzazione degli impulsi, dicono gli scienziati dei materiali della Tokyo Tech. I risultati del loro ultimo studio offrono un nuovo parametro di controllo per la manipolazione delle vibrazioni coerentemente eccitate nei materiali solidi a livello quantistico.

Ad occhio nudo, i solidi possono apparire perfettamente immobili, ma in realtà, i loro atomi e molecole costituenti sono tutt'altro. Ruotano e vibrano, definendo rispettivamente gli stati energetici cosiddetti "rotazionali" e "vibrazionali" del sistema. Poiché questi atomi e molecole obbediscono alle regole della fisica quantistica, la loro rotazione e vibrazione sono, infatti, discretizzato, con un "quanto" discreto immaginato come la più piccola unità di tale moto. Ad esempio, il quanto di vibrazione atomica è una particella chiamata "fonone".

vibrazioni atomiche, e quindi fononi, può essere generato in un solido illuminandolo con una luce. Un modo comune per farlo è usare impulsi di luce "ultracorti" (impulsi lunghi da decine a centinaia di femtosecondi) per eccitare e manipolare i fononi, una tecnica nota come "controllo coerente". Mentre i fononi sono solitamente controllati cambiando la fase relativa tra impulsi ottici consecutivi, studi hanno rivelato che anche la polarizzazione della luce può influenzare il comportamento di questi "fononi ottici".

Il team del Dr. Kazutaka Nakamura presso il Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha esplorato il controllo coerente dei fononi ottici longitudinali (LO) (cioè, fononi corrispondenti a vibrazioni longitudinali eccitate dalla luce) sulla superficie di un monocristallo di GaAs (arseniuro di gallio) e osservato una "interferenza quantistica" sia per elettroni che fononi per polarizzazione parallela mentre solo interferenza fononica per polarizzazione reciprocamente perpendicolare.

"Abbiamo sviluppato un modello di meccanica quantistica con campi di luce classici per il controllo coerente dell'ampiezza del fonone LO e l'abbiamo applicato a GaAs e cristalli di diamante. Tuttavia, non abbiamo studiato gli effetti della correlazione di polarizzazione tra gli impulsi luminosi in modo sufficientemente dettagliato, "dice il dottor Nakamura, Professore Associato presso Tokyo Tech.

Di conseguenza, il suo team si è concentrato su questo aspetto in un nuovo studio pubblicato su Revisione fisica B . Hanno modellato la generazione di fononi LO in GaAs con due impulsi relativi ad aggancio di fase utilizzando un modello a banda semplificato e "scattering Raman, "il fenomeno alla base della generazione dei fononi, e calcolato le ampiezze fononiche per diverse condizioni di polarizzazione.

Il loro modello prevedeva l'interferenza sia di elettroni che di fononi per impulsi polarizzati in parallelo come previsto, senza alcuna dipendenza dall'orientamento del cristallo o dal rapporto di intensità per lo scattering Raman consentito e proibito. Per impulsi polarizzati perpendicolarmente, il modello prevedeva solo l'interferenza fononica ad un angolo di 45° dalla direzione del cristallo [100]. Però, quando uno degli impulsi è stato diretto lungo [100], l'interferenza elettronica è stata eccitata dallo scattering Raman consentito.

Con tali intuizioni, il team attende con impazienza un controllo più coerente dei fononi ottici nei cristalli. "Il nostro studio dimostra che la polarizzazione svolge un ruolo piuttosto importante nell'eccitazione e nel rilevamento di fononi coerenti e sarebbe particolarmente rilevante per i materiali con modalità di interazione asimmetriche, come il bismuto, che ha più di due modalità fononiche ottiche e stati elettronici. I nostri risultati sono quindi estensibili ad altri materiali, "dice Nakamura.