L'énergie est information. Allonger le temps pendant lequel un système est capable de retenir de l'énergie avant de la perdre dans l'environnement local est un objectif clé pour le développement de l'information quantique. Cet intervalle est appelé "temps de cohérence". Plusieurs études ont été réalisées dans le but de retarder la décohérence.

Une étude menée par des chercheurs de l'Institut de physique Gleb Wataghin de l'Université de Campinas (IFGW-UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil, et des collaborateurs internationaux ont entrepris de comprendre le processus de décohérence sur la femtoseconde (10 ^-15 s) échelle de temps. Un article décrivant les résultats a été publié dans Lettres d'examen physique .

Dans l'étude, les interactions entre les excitons (électrons excités) et les phonons (unités quantiques d'énergie vibrationnelle dans un réseau cristallin) ont été observées à l'échelle de temps femtoseconde. Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde.

L'utilisation d'une technique de spectroscopie ultrarapide révolutionnaire avec une résolution temporelle et spectrale élevée a été fondamentale pour le succès de l'étude. Lázaro Aurélio Padilha Jr. était l'un des principaux chercheurs du projet, et Diogo Burigo Almeida, puis stagiaire postdoctoral au Michigan, était l'un des principaux auteurs. L'expérience a été réalisée avec des nanocristaux semi-conducteurs dispersés dans une solution colloïdale à des températures cryogéniques.

"Nous avons découvert que lorsque le matériau est excité [par la lumière], la lumière qu'il émet change de couleur en moins de 200 femtosecondes. Ceci est dû à l'interaction entre les excitons et les phonons. Les excitons transfèrent une partie de l'énergie qu'ils reçoivent au réseau cristallin. Cela provoque un changement de fréquence et donc un changement de couleur d'émission, " a déclaré Padilha.

Leur étude a été la première à observer ce phénomène. "Cela n'avait jamais été observé auparavant car la quantité d'énergie transférée de chaque exciton au réseau est minuscule, correspondant à 26 milliélectrons volts (26x10 ^-3 eV), et le processus prend très peu de temps, durée inférieure à 200 femtosecondes (200x10-15 s). Des phénomènes similaires ont été observés mais à des échelles de temps bien plus grandes et dus à d'autres processus. Nous avons accédé à des relations physiques jusqu'alors inconnues, " il a dit.

Lui et son groupe de recherche ont longtemps étudié les nanomatériaux semi-conducteurs avec des tailles comprises entre 1 nanomètre et 10 nm. Un défi majeur se pose lorsqu'il s'agit de favoriser la croissance de ces matériaux, à mesure que chaque unité individuelle se développe différemment ; Par conséquent, le spectre lumineux émis par le matériau après excitation est élargi, avec les différents composants émettant à des fréquences légèrement différentes, et la couleur de l'émission est moins précise. Lorsqu'une seule particule est isolée, le spectre se rétrécit, mais la détection du signal est retardée. En d'autres termes, la résolution spectrale est améliorée mais au détriment de la résolution temporelle.

"Il y a environ cinq ans, nous avons commencé à travailler avec une technique qui permet de sélectionner des sous-ensembles comprenant quelques milliers de particules identiques à partir d'un ensemble de particules de 1020 nm, " a déclaré Padilha. " Cela nous a permis d'obtenir une résolution spectrale très fine et précise, ainsi qu'une résolution temporelle fine. Dans cette étude, nous avons obtenu une résolution spectrale d'une seule particule pour un groupe de particules en un temps exceptionnellement court."

Comme indiqué, cette solution expérimentale a permis aux chercheurs d'accéder à des processus physiques jusqu'alors inconnus, comme l'interaction ultrarapide exciton-phonon. Il convient de rappeler qu'en physique de la matière condensée, le phonon est une quasi-particule associée au quantum de vibration qui se propage dans un réseau cristallin.

Il n'y a pas d'applications technologiques immédiates pour les résultats obtenus, mais dans un avenir pas si lointain, la connaissance des interactions physiques à l'échelle de la femtoseconde peut aider les scientifiques à contrôler la structure des matériaux de telle sorte que les excitons retiennent l'énergie des impulsions électriques ou lumineuses pendant de plus longues périodes, retarder la décohérence dans les systèmes quantiques.

« Prolonger la cohérence est la clé du succès des dispositifs tels que les commutateurs optiques et les émetteurs à photon unique, " dit Almeida. " En fait, votre objectif est de réduire au minimum le gaspillage d'énergie. Lorsque le matériau change de couleur, cela signifie qu'il perd de l'énergie. Nous avons découvert que cette perte est extrêmement rapide. C'est ce que nous voulons retarder."