Le membre de l'équipe de recherche du laboratoire du professeur Nakamura à Tokyo Tech, travailler avec l'équipement utilisé pour les expériences ultrarapides à double pompe-sonde. Crédit : Institut de technologie de Tokyo
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo et de l'Université Keio ont étudié l'excitation et la détection de phonons cohérents photogénérés dans le semi-conducteur polaire GaAs à l'aide d'un laser à double pompe ultrarapide pour l'interférométrie quantique.
Imaginez un monde où les ordinateurs peuvent stocker, mouvement, et traiter les informations à des vitesses exponentielles en utilisant ce que nous appelons actuellement les vibrations résiduelles :la chaleur et le bruit. Bien que cela puisse nous rappeler un film de science-fiction, avec l'avènement du nano-âge, ce sera très bientôt la réalité. Au premier plan se trouve la recherche dans une branche du domaine quantique :la photonique quantique.
Les lois de la physique nous aident à comprendre les voies efficaces de la nature. Cependant, leur application à nos vies imparfaites implique souvent les moyens les plus efficaces d'utiliser les lois de la physique. Parce que la plupart de nos vies tournent autour de l'échange d'informations, trouver des moyens de communication plus rapides a toujours été une priorité. La plupart de ces informations sont codées dans les ondes et les vibrations qui utilisent des champs électromagnétiques qui se propagent dans l'espace ou les solides et interagissent de manière aléatoire avec les particules dans les appareils solides, créant des sous-produits inutiles :chaleur et bruit. Cette interaction se propage via deux canaux, absorption de la lumière ou diffusion par la lumière, les deux conduisant à une excitation aléatoire des atomes qui composent le solide. En convertissant cette excitation aléatoire de particules en cohérent, vibrations bien maîtrisées du solide, nous pouvons renverser la vapeur - au lieu d'utiliser la lumière, nous pouvons utiliser le son (le bruit !) pour transporter l'information. L'énergie de cette vibration de réseau est conditionnée en faisceaux bien définis appelés phonons.
Franges d'interférence de (a) phonons optiques longitudinaux cohérents (LO) et (b) oscillation cohérente de l'oscillation couplée phonon-plasmon LO dans GaAs de type n et (c) interférence optique des impulsions de pompage. Les oscillations rapides (période d'environ 2,7 fs) dans (a) et (b) sont dues à l'interférence entre les états électroniques. Crédit :Lettre physique B
Cependant, la portée de ceci repose sur la compréhension de deux points fondamentaux :la génération des phonons cohérents et sa durée de vie ultérieure pour laquelle il conserve sa « capacité de transport d'informations ». C'était le thème de la question à laquelle les chercheurs du laboratoire de Nakamura au Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ont cherché à répondre sous la collaboration du Pr Shikano, qui travaille au Quantum Computing Center, Université Keio.
Les phonons optiques sont utilisés pour décrire un certain mode de vibration, qui se produit lorsque les atomes voisins du réseau se déplacent dans la direction opposée. "Parce que l'absorption impulsive (IA) et la diffusion Raman stimulée par impulsion (ISRS) provoquent le zapping de telles vibrations dans le réseau solide conduisant à la création de phonons, " affirme Nakamura, "notre objectif était de faire la lumière sur la réduction de cette dichotomie." Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie double pompe-sonde, où une impulsion laser ultrarapide est divisée en une "pompe" plus puissante pour exciter l'échantillon de GaAs et un faisceau "sonde" plus faible irradié sur l'échantillon "secoué". L'impulsion de pompe est divisée en deux impulsions colinéaires mais avec un léger décalage dans leur modèle d'onde pour produire des impulsions à verrouillage de phase relatif. L'amplitude du phonon est augmentée ou supprimée dans les franges, en fonction des interférences constructives et destructives (Figs. 1 et 2).
Le faisceau sonde lit le motif des franges d'interférence en lisant les changements des propriétés optiques (réflectivité) de l'échantillon qui surviennent en raison des vibrations dépendantes du motif des franges dans le réseau. Cette méthode de lecture des changements dans les impulsions d'onde pour déterminer les caractéristiques de l'échantillon est appelée interférométrie quantique.
Diagrammes de Feynman recto-verso pour les matrices de densité correspondant (a) au processus ISRS et (b) au processus IA. Les traits pleins fins et épais représentent les états fondamental et excité, respectivement; les courbes en pointillés représentent l'état à un phonon LO ; les courbes gaussiennes rouge et bleue représentent l'enveloppe d'impulsion de la première et de la deuxième impulsions, respectivement, avec les lignes ondulées leurs propagateurs de photons. Crédit :Lettre physique B
Nakamura et l'état de l'équipe, "Ainsi, en faisant varier le délai entre les impulsions de pompe par pas plus courts que le cycle lumineux et l'impulsion pompe-sonde, nous avons pu détecter les interférences entre états électroniques ainsi que celle des phonons optiques, qui montre les caractéristiques temporelles de la génération de phonons cohérents via des interactions lumière-électron-phonon pendant la photo-excitation. les chercheurs ont pu filtrer l'information :la génération des phonons était principalement liée à la diffusion (ISRS).
Les progrès dans les générations d'impulsions optiques ultracourtes ont continuellement poussé la capacité à sonder et à manipuler la composition structurelle des matériaux. Avec les bases posées par de telles études dans la compréhension des vibrations dans les solides, la prochaine étape consistera à les utiliser comme blocs de construction pour les transistors, dispositifs, appareils électroniques, et qui sait, bientôt notre avenir !
Le document a été sélectionné comme suggestion de l'éditeur à Examen physique B .
