(a) Schema di fotoni gemelli entangled come sonda ultraveloce per molecole, in cui vengono presentati la conversione parametrica verso il basso attraverso un cristallo di beta borato di bario (BBO) e il rilevamento multi-fotone. (b) Schema di livello del modello microscopico in Quantum FAST CARS. (c) Segnale Quantum FAST CARS, prendendo le 4 modalità Raman-attive A1, E e T2 in metano (CH4). (d) Schema di livello del modello microscopico in QFRS per stati elettronicamente eccitati. (e) Confronto tra il QFRS correlato all'intensità e il classico caso di impulso della sonda per la coerenza elettronica in evoluzione nel tempo in funzione del ritardo T tra i fotoni della sonda e l'impulso della pompa risonante. Credito:Zhedong Zhang et al.
Negli ultimi anni, i fotoni entangled, una popolare sorgente di luce quantistica, sono stati ampiamente utilizzati nell'imaging quantistico, nell'interferometria ottica, nell'informatica quantistica, nella comunicazione quantistica e in altri campi. La conversione verso il basso parametrica spontanea genera le coppie di fotoni entangled con energia e quantità di moto conservate, in modo che la correlazione quantistica nello spazio e nel tempo sia codificata. Tale proprietà consente un vantaggio quantistico che supera il limite di diffrazione degli impulsi classici nel campo dell'imaging e del rilevamento.
Uno dei problemi di collo di bottiglia esistenti da tempo nella spettroscopia molecolare è il rilevamento di processi elettronici ultraveloci su scala femtoseconda. Le dinamiche della coerenza elettronica sono particolarmente importanti. Tuttavia, limitata dalla risoluzione tempo-frequenza e dai canali incoerenti degli stati eccitati, la tecnologia Raman esistente non può essere utilizzata a tal fine.
In un articolo appena pubblicato in Light:Science &Applications , il professor Zhedong Zhang del Dipartimento di Fisica della City University di Hong Kong e colleghi hanno sviluppato una spettroscopia Raman coerente risolta in femtosecondi con fotoni entangled che porta alla QFRS (spettroscopia Raman quantistica a femtosecondi).
In particolare, nel loro lavoro viene mostrata una natura super risolta del segnale Raman risultante da una manipolazione dell'entanglement di fotoni:sia la risoluzione temporale che quella spettrale possono essere raggiunte contemporaneamente. Il QFRS è sensibile solo alla coerenza elettronica.
Ciò lo rende particolarmente adatto per rilevare la dinamica dello stato eccitato elettronicamente in un breve lasso di tempo di circa 50 fs. Un tale vantaggio non è ottenibile nelle tecniche Raman studiate in precedenza, che erano strozzate né dal rapido decadimento né dalle risoluzioni della frequenza temporale. Il lavoro offre una nuova prospettiva per studiare i processi ultraveloci in materiali complessi come molecole, materiali 2D ed eccitoni, polaritoni poiché possiamo estrarre i processi di rilassamento e radiativi desiderati.
La spettroscopia Raman quantistica sostituisce il classico impulso della sonda con un raggio segnale-fotonico proveniente dalla sorgente di fotoni entangled. Il raggio di fotoni pigri funge da raggio annunciato per la misurazione della coincidenza. Le risoluzioni temporali e spettrali possono quindi essere controllate in modo indipendente. Ciò si traduce nella natura super-risolta al di là della coniugazione della relazione tempo-frequenza. Il rilevamento dell'eterodina può essere ulteriormente effettuato per monitorare la fase degli elettroni. I punti salienti del loro lavoro sono così riassunti:
"Progettiamo una versione quantistica della spettroscopia Raman a femtosecondi per tre scopi:(1) eseguire la spettroscopia Raman anti-stokes ad alta risoluzione nel dominio in tempo reale; (2) essere in grado di visualizzare la dinamica degli elettroni su una scala temporale ultrabreve; e (3 ) essere sensibile alla fase delle eccitazioni molecolari in modo che la sensibilità di rilevamento superi il limite quantico di stand."
"Il nostro lavoro espande considerevolmente l'orizzonte della luce entanglement e completa i progressi spettroscopici realizzati dalla luce entanglement nel contesto dei processi ottimali di assorbimento di due fotoni in molecole complesse. Questo lavoro aiuterà i futuri sforzi sperimentali e teorici", hanno affermato gli scienziati. + Esplora ulteriormente
