Ett internationellt samarbete, ledd av forskare från Macquarie University, har introducerat en ny kvantoptikteknik som kan ge oöverträffad tillgång till de grundläggande egenskaperna hos ljus-materia-interaktioner i halvledare.
Forskningen publicerades 15 januari i tidskriften Nature Physics , använder en ny spektroskopisk teknik för att utforska interaktioner mellan fotoner och elektroner i kvantskala.
Professor Thomas Volz, medförfattare till studien och forskargruppsledare vid Macquarie Universitys School of Mathematical and Physical Sciences, säger att arbetet har potential att driva ett genombrott i den globala strävan efter tillgänglig kvantfotonisk teknologi.
"Vi har utvecklat en ny teknik som använder den strålande kvantkaskaden, där fotoner lagrade i en materialresa nedför en stege av energinivåer som genereras när ljus och materia interagerar", säger professor Volz.
"Detta gäller även när interaktionerna är så svaga att de resulterande energinivåerna tidigare var för nära att särskilja."
Denna förmåga att titta närmare in i kvantvärlden har en enorm potential.
"Genom att förstå hur dessa små ljuspartiklar samverkar får vi värdefulla insikter om kvantegenskaperna hos fasta material, såsom halvledare," säger professor Volz.
Teamets teknik, som de kallade "foton-kaskadkorrelationsspektroskopi", kombinerar spektralfiltrering och foton-korrelationsanalys för att avslöja interaktioner mellan halvledarexciton-polaritoner, som är kvasipartiklar som består av både fotoner (ljus) och materia (excitoner) .
Medförfattare Dr. Lorenzo Scarpelli, tidigare postdoktor vid Macquarie University och nu postdoktor vid Delft University of Technology i Nederländerna, säger:"Foton-kaskad-korrelationsspektroskopi fungerar lite som ett mikroskop för fotoner.
"Vi skapar en bild-i-tid av fotonerna, och detta talar om för oss om de tenderar att resa tillsammans eller inte, och låter oss också extrahera information om styrkan i deras interaktion."
Han säger att teamets nya teknik gjorde det möjligt för dem att upptäcka interaktioner som involverade komplexa bundna tillstånd av tre eller flera partiklar, som tidigare bara hade teoretiserats.
Detta fynd är viktigt inom kvantoptik eftersom det gör det möjligt för forskare att direkt excitera och mäta specifika enfotonövergångar, vilket gör att de kan karakterisera subtila kvanteffekter med få partiklar i fasta tillståndssystem och identifiera material som skulle kunna fungera bra i nya tillämpningar.
"Det finns en världsomspännande sökning för att hitta material som tillåter oss att kontrollera hur ljuspartiklar interagerar, så vi kan bygga optiska transistorer, mycket snabba optiska omkopplare och göra informationsbearbetning med enskilda ljuspartiklar snarare än med elektroner", säger professor Volz.
"Värdmaterialet för våra experiment är galliumarsenid, men tekniken kan lätt appliceras på andra material också, där vi kan förvänta oss att se liknande fysikeffekter eller beteende.
"Den här tekniken kommer att tillåta oss att få värdefulla insikter om kvantegenskaperna hos fasta material."
Mer information: Lorenzo Scarpelli et al., Undersöka många kroppskorrelationer med hjälp av kvant-kaskadkorrelationsspektroskopi, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02322-x
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Macquarie University
