量子干涉技术揭示：相干声子的产生！东京理工大学和庆应义塾大学科学家们研究了用超快双泵浦探针激光激发和探测极性半导体砷化镓中光产生的相干声子。想象一下这样一个世界：计算机可以以指数级的速度存储、移动和处理信息，使用我们目前所说的浪费振动——热量和噪声。虽然这可能让我们想起科幻电影，随着纳米时代的到来，这将很快成为现实。
这项研究的前沿是量子领域的一个分支：量子光学。物理定律帮助是我们理解自然界的有效方式。然而，把它们应用到我们不完美的生活中往往涉及到利用物理定律的最有效方法。因为我们大多数人的生活都围绕着信息交流，所以想出更快的沟通方式一直是我们的首要任务。这些信息大多被编码在波和振动中，这些波和振动利用在空间或固体中传播的电磁场，与固体设备中的粒子随机互动，产生浪费的副产品：热量和噪音。
（博科园-图示1）东京理工大学中村教授实验室的研究小组成员使用了用于超快双泵探头实验设备。图片：Tokyo Institute of Technology
这种相互作用通过两个通道传播，光的吸收或光的散射，两者都导致构成固体的原子随机激发。通过将粒子的这种随机激发转化为固体的相干、可控的振动，可以用声音(噪音!)来传输信息，而不用光。这种晶格振动的能量被包裹在称为声子的明确束中。然而，这一研究范围依赖于对两个基本点的理解：相干声子的产生及其随后的周期，在此期间，它保持着“信息传输能力”。
（博科园-图示2）(a) n型砷化镓中相干纵向光学声子(LO)的相干振荡与(b) LO声子-等离子体耦合振荡的相干振荡干涉条纹与(c)泵浦脉冲的光学干涉。(a)和(b)中的快速振荡(周期约2.7 fs)是由于电子态之间的相互影响造成。图片：Physical Letter B
在庆应义塾大学(Keio University)量子计算中心工作的Shikano教授的合作下，来自东京理工大学(Tokyo Institute of Technology)中村实验室的研究人员试图回答这个问题。光学声子用来描述晶格中相邻原子向相反方向运动时产生的某种振动模式。由于脉冲吸收(IA)和脉冲受激拉曼散射(ISRS)会引起固体晶格中这种振动的zapping，从而导致声子的产生，其目标是缩小这种二分法。研究人员利用双泵浦探针光谱法，将一个超快的激光脉冲分裂成一个更强的“泵浦”来激发GaAs样品
（博科园-图示3）(a) ISRS过程和(b) IA过程对应的密度矩阵双面费曼图。细实线和粗实线分别代表基态和激发态；虚线表示单声子态；红色和蓝色高斯曲线分别表示第一和第二脉冲的脉冲包络线，光子传播器是波线。图片：Physical Letter B
并将一个较弱的“探针”光束照射到“振动”样品上。泵浦脉冲被分解成两个共线脉冲，但波型略有偏移，从而产生相对锁相脉冲。声子振幅的增强或抑制，取决于建设性和破坏性的干扰。因此，通过改变泵浦脉冲之间的时间延迟。以比光周期和泵浦探测脉冲更短的步骤，可以检测电子状态之间的干扰，以及光学声子之间的干扰，这显示了光激发过程中通过光-电子-声子相互作用产生相干声子的时间特性。
从量子力学叠加中，研究人员可以筛选出信息：声子的产生主要与散射(ISRS)有关。超短光脉冲产生技术的进步不断推动着探测和操纵材料结构组成的能力。有了这些研究为理解固体振动奠定的基础，下一步将涉及使用它们作为晶体管、设备、电子设备的积木，谁知道呢，很快就会应用到我们的未来！其研究成果发表在《物理评论B》上。
博科园｜研究/来自：东京工业大学
参考期刊《物理评论B》
DOI: 10.1103/PhysRevB.99.180301
发表于 2019-5-22 13:41
收藏
分享