Energi är information. Att förlänga den tid under vilken ett system kan behålla energi innan det förlorar det till den lokala miljön är ett nyckelmål för utvecklingen av kvantinformation. Detta intervall kallas "koherens -tiden". Flera studier har utförts i syfte att bromsa dekoherens.

En studie utförd av forskare vid University of Campinas Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) i São Paulo State, Brasilien, och internationella samarbetspartners satte sig för att förstå dekoherensprocessen på femtosekund (10 ^-15 s) tidsskala. En artikel som beskriver resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .

I studien, interaktioner mellan excitoner (exciterade elektroner) och fononer (kvantenheter av vibrationsenergi i ett kristallgitter) observerades på femtosekundens tidsskala. En femtosekund är en kvadriljondel av en sekund.

Användningen av en revolutionerande ultrasnabb spektroskopiteknik med hög tids- och spektralupplösning var grundläggande för framgången med studien. Lázaro Aurélio Padilha Jr. var en av de främsta utredarna för projektet, och Diogo Burigo Almeida, sedan en postdoktor i Michigan, var en av huvudförfattarna. Experimentet utfördes med halvledande nanokristaller dispergerade i en kolloidal lösning vid kryogena temperaturer.

"Vi fann att när materialet är upphetsat [av ljus], ljuset som det avger ändrar färg på under 200 femtosekunder. Detta beror på interaktion mellan excitoner och fononer. Excitonerna överför en del av energin de tar emot till kristallgitteret. Detta orsakar en frekvensändring och därmed en förändring av utsläppsfärgen, "Sa Padilha.

Deras studie var den första som observerade detta fenomen. "Det hade aldrig observerats tidigare eftersom mängden energi som överförs från varje exciton till gitteret är liten, motsvarande 26 millielektron volt (26x10 ^-3 eV), och processen tar mycket kort tid, varar under 200 femtosekunder (200x10-15 s). Liknande fenomen har observerats men på mycket större tidsskalor och på grund av andra processer. Vi fick tillgång till hittills okända fysiska relationer, " han sa.

Han och hans forskargrupp studerade länge halvledarnanomaterial med storlekar mellan 1 nanometer och 10 nm. En stor utmaning uppstår när man främjar tillväxten av dessa material, eftersom varje enskild enhet växer annorlunda; därav, det spektrum av ljus som materialet avger efter excitation breddas, med de olika komponenterna som sänder ut vid lite olika frekvenser, och färgen på utsläppet är mindre exakt. När en enda partikel isoleras, spektrumet blir smalare, men signaldetektering är försenad. Med andra ord, spektral upplösning förbättras men med förlust av tidsupplösning.

"För ungefär fem år sedan började vi arbeta med en teknik som kan plocka ut delmängder som omfattar några tusen identiska partiklar från en uppsättning av 1020 nm partiklar, "Padilha sa." Detta har gjort det möjligt för oss att uppnå mycket fin och exakt spektral upplösning, samt fin tidsupplösning. I den här studien, vi erhöll en enda partikel spektral upplösning för en grupp partiklar på en exceptionellt kort tid. "

Som noterat, denna experimentella lösning gjorde det möjligt för forskarna att få tillgång till hittills okända fysiska processer, såsom den ultrasnabba exciton-fonon-interaktionen. Det är värt att påminna om att i kondensmaterialets fysik, fononen är en kvasipartikel som är associerad med den vibrationskvant som sprider sig i ett kristallgitter.

Det finns inga omedelbara tekniska tillämpningar för de erhållna resultaten, men inom en inte alltför avlägsen framtid, kunskap om fysiska interaktioner på femtosekundens tidsskala kan hjälpa forskare att kontrollera materialets struktur så att excitoner behåller energi från elektriska eller ljusimpulser under längre perioder, fördröjer dekoherens i kvantsystem.

"Förlängning av koherens är nyckeln till framgångar för enheter som optiska switchar och enfotonemitterare, "Sa Almeida." Egentligen, vad du vill göra är att minska energisvinnet till ett minimum. När materialet ändrar färg, det betyder att det tappar energi. Vi upptäckte att denna förlust är extremt snabb. Det är det vi vill fördröja. "