Forskargruppmedlemmen vid professor Nakamura Laboratory vid Tokyo Tech, arbeta med den utrustning som används för de ultrasnabba experimenten med dubbla pumpsonder. Upphovsman:Tokyo Institute of Technology
Forskare vid Tokyo Institute of Technology och Keio University undersökte excitation och detektering av fotogenererade koherenta fononer i polära halvledare GaA genom en ultrasnabb dubbelpump-sondlaser för kvantinterferometri.
Tänk dig en värld där datorer kan lagra, flytta, och bearbeta information vid exponentiella hastigheter med hjälp av det vi för närvarande kallar spillvibrationer - värme och buller. Även om detta kan påminna oss om en sci-fi-film, med nanotidens ankomst, detta kommer snart att bli verklighet. I spetsen för detta ligger forskning inom en gren av kvantområdet:kvantfotonik.
Fysiklagar hjälper oss att förstå naturens effektiva sätt. Dock, deras tillämpning på våra ofullkomliga liv innebär ofta de mest effektiva sätten att använda fysikens lagar. Eftersom de flesta av våra liv kretsar kring utbyte av information, att komma på snabbare sätt att kommunicera har alltid varit en prioritet. Merparten av denna information är kodad i vågor och vibrationer som använder elektromagnetiska fält som sprider sig i rymden eller fasta ämnen och interagerar slumpmässigt med partiklarna i fasta enheter, skapa slösande biprodukter:värme och buller. Denna interaktion sprider sig via två kanaler, absorption av ljus eller spridning av ljus, båda leder till slumpmässig excitation av atomer som utgör fastämnet. Genom att omvandla denna slumpmässiga excitation av partiklar till koherenta, välkontrollerade vibrationer av det fasta, vi kan vända på borden - istället för att använda ljus, vi kan använda ljud (brus!) för att transportera information. Energin i denna gittervibration är förpackad i väldefinierade buntar som kallas fononer.
Interferensfransar för (a) koherenta longitudinella optiska (LO) fononer och (b) koherent svängning av LO-fonon-plasmon kopplad oscillation i n-typ GaAs och (c) optisk interferens av pumppulserna. Snabba svängningar (period ~ 2,7 fs) i (a) och (b) beror på integritet mellan elektroniska tillstånd. Kredit:Fysisk bokstav B
Dock, omfattningen av detta bygger på förståelsen av två grundläggande punkter-generering av de sammanhängande fononerna och dess efterföljande livstid för vilken den behåller sin "informationstransporterande förmåga". Detta var temat för frågan som forskare från Nakamuras laboratorium vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) försökte svara på under samarbete av professor Shikano, som arbetar på Quantum Computing Center, Keio universitet.
Optiska fononer används för att beskriva ett visst vibrationssätt, som inträffar när grannatomerna på gallret rör sig i motsatt riktning. "Eftersom impulsiv absorption (IA) och impulsiv stimulerad Ramanspridning (ISRS) orsakar zapping av sådana vibrationer i det fasta gallret som leder till fononskapande, "hävdar Nakamura, "vårt mål var att belysa att denna dikotomi minskas." Forskarna använde dubbel pump-sondspektroskopi, där en ultrasnabb laserpuls delas upp i en starkare "pump" för att excitera GaAs -provet och en svagare "sond" -stråle bestrålad på det "skakade" provet. Pumppulsen delas upp i två kollinära pulser men med en liten förskjutning i deras vågmönster för att producera relativa faslåsta pulser. Fononamplituden förbättras eller undertrycks i utkanter, beroende på konstruktiv och destruktiv interferens (Fig. 1 och 2).
Sondstrålen avläser interferensfransmönstret genom att läsa av förändringar i optiska egenskaper (reflektivitet) för provet som uppstår på grund av de fransmönsterberoende vibrationerna i gallret. Denna metod för avläsning av förändringarna i vågpulser för att bestämma provegenskaperna kallas kvantinterferometri.
Dubbelsidiga Feynman-diagram för densitetsmatriser som motsvarar (a) ISRS-processen och (b) IA-processen. De tunna och tjocka fasta linjerna representerar marken och upphetsade tillstånd, respektive; de streckade kurvorna representerar ett-LO-fonontillståndet; de röda och blå gaussiska kurvorna representerar pulshöljet för den första och den andra pulsen, respektive, med de vågiga linjerna deras fotonutbredare. Kredit:Fysisk bokstav B
Nakamura och teamet uppger, "Således, genom att variera tidsfördröjningen mellan pumppulserna i steg som är kortare än ljuscykeln och pumpsondpulsen, vi kunde upptäcka störningen mellan elektroniska tillstånd och optiska fononer, som visar tidsegenskaper för generering av koherenta fononer via ljus-elektron-fonon-interaktioner under fotoexciteringen. "Från den kvantmekaniska superpositionen, forskarna kunde sikta bort informationen:generering av fononerna var övervägande kopplat till spridning (ISRS).
Framsteg inom ultrakorta optiska pulser generationer har ständigt drivit förmågan att sondera och manipulera strukturell sammansättning av material. Med de grunder som lagts av sådana studier för att förstå vibrationerna i fasta ämnen, nästa steg kommer att innebära att använda dem som byggstenar för transistorer, enheter, elektroniska enheter, och vem vet, snart vår framtid!
Papperet har valts som ett redaktörsförslag på Fysisk granskning B .
