Kvantbeteendet hos atomvibrationer som exciteras i en kristall med hjälp av ljuspulser har mycket att göra med polariseringen av pulserna, säger materialforskare från Tokyo Tech. Resultaten från deras senaste studie erbjuder en ny kontrollparameter för manipulering av koherent exciterade vibrationer i fasta material på kvantnivå.

För blotta ögat, fasta ämnen kan verka helt stilla, men i verkligheten, deras ingående atomer och molekyler är allt annat än. De roterar och vibrerar, definierar de så kallade "rotations" respektive "vibrations" energitillstånden i systemet. Eftersom dessa atomer och molekyler följer kvantfysikens regler, deras rotation och vibration är, faktiskt, diskretiserad, med ett diskret "kvantum" föreställt som den minsta enheten för sådan rörelse. Till exempel, atomvibrationens kvantum är en partikel som kallas "fonon".

Atomvibrationer, och därför fononer, kan genereras i ett fast material genom att lysa på det. Ett vanligt sätt att göra detta är att använda "ultrakorta" ljuspulser (pulser som är tio till hundratals femtosekunder långa) för att excitera och manipulera fononer, en teknik som kallas "koherent kontroll". Medan fononerna vanligtvis styrs genom att ändra den relativa fasen mellan på varandra följande optiska pulser, studier har visat att ljuspolarisering också kan påverka beteendet hos dessa "optiska fononer".

Dr. Kazutaka Nakamuras team vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) utforskade den koherenta kontrollen av longitudinella optiska (LO) fononer (dvs. fononer motsvarande longitudinella vibrationer exciterade av ljus) på ytan av en GaAs (galliumarsenid) enkristall och observerade en "kvantinterferens" för både elektroner och fononer för parallell polarisation medan endast fononinterferens för ömsesidigt vinkelrät polarisation.

"Vi utvecklade en kvantmekanisk modell med klassiska ljusfält för koherent kontroll av LO-fononamplituden och tillämpade detta på GaAs och diamantkristaller. vi studerade inte effekterna av polarisationskorrelation mellan ljuspulserna tillräckligt detaljerat, " säger Dr Nakamura, Docent vid Tokyo Tech.

Följaktligen, hans team fokuserade på denna aspekt i en ny studie publicerad i Fysisk granskning B . De modellerade genereringen av LO-fononer i GaAs med två relativa faslåsta pulser med hjälp av en förenklad bandmodell och "Raman-spridning, "fenomenet som ligger bakom fonongenereringen, och beräknade fononamplituderna för olika polarisationsförhållanden.

Deras modell förutspådde både elektron- och fononinterferens för parallellpolariserade pulser som förväntat, utan beroende av kristallorientering eller intensitetsförhållandet för tillåten och förbjuden Raman-spridning. För vinkelrätt polariserade pulser, modellen förutspådde endast fononinterferens i en vinkel på 45° från [100] kristallriktningen. Dock, när en av pulserna riktades längs [100], elektroninterferens exciterades av tillåten Raman-spridning.

Med sådana insikter, teamet ser fram emot en bättre sammanhängande kontroll av optiska fononer i kristaller. "Vår studie visar att polarisering spelar en ganska viktig roll i exciteringen och detekteringen av koherenta fononer och skulle vara särskilt relevant för material med asymmetriska interaktionslägen, som vismut, som har mer än två optiska fononlägen och elektroniska tillstånd. Våra fynd går alltså att utvidga till andra material, säger Nakamura.