Le comportement quantique des vibrations atomiques excitées dans un cristal à l'aide d'impulsions lumineuses a beaucoup à voir avec la polarisation des impulsions, disent les scientifiques des matériaux de Tokyo Tech. Les résultats de leur dernière étude offrent un nouveau paramètre de contrôle pour la manipulation des vibrations excitées de manière cohérente dans les matériaux solides au niveau quantique.

A l'oeil nu, les solides peuvent apparaître parfaitement immobiles, mais en réalité, leurs atomes et molécules constitutifs sont tout sauf. Ils tournent et vibrent, définissant respectivement les états énergétiques dits « rotationnel » et « vibrationnel » du système. Comme ces atomes et molécules obéissent aux règles de la physique quantique, leur rotation et vibration sont, En réalité, discrétisé, avec un "quantum" discret imaginé comme la plus petite unité d'un tel mouvement. Par exemple, le quantum de vibration atomique est une particule appelée « phonon ».

Vibrations atomiques, et donc des phonons, peut être généré dans un solide en l'éclairant. Une façon courante de le faire est d'utiliser des impulsions lumineuses "ultracourtes" (des impulsions de dizaines à centaines de femtosecondes) pour exciter et manipuler les phonons, une technique connue sous le nom de "contrôle cohérent". Alors que les phonons sont généralement contrôlés en changeant la phase relative entre les impulsions optiques consécutives, des études ont révélé que la polarisation de la lumière peut également influencer le comportement de ces « phonons optiques ».

L'équipe du Dr Kazutaka Nakamura à l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a exploré le contrôle cohérent des phonons optiques longitudinaux (LO) (c. phonons correspondant à des vibrations longitudinales excitées par la lumière) à la surface d'un monocristal de GaAs (arséniure de gallium) et a observé une "interférence quantique" pour les électrons et les phonons pour une polarisation parallèle alors que seule une interférence de phonons pour une polarisation mutuellement perpendiculaire.

"Nous avons développé un modèle de mécanique quantique avec des champs lumineux classiques pour le contrôle cohérent de l'amplitude des phonons LO et l'avons appliqué au GaAs et aux cristaux de diamant. Cependant, nous n'avons pas étudié les effets de corrélation de polarisation entre les impulsions lumineuses de manière suffisamment détaillée, " dit le Dr Nakamura, Professeur associé à Tokyo Tech.

Par conséquent, son équipe s'est concentrée sur cet aspect dans une nouvelle étude publiée dans Examen physique B . Ils ont modélisé la génération de phonons LO dans GaAs avec deux impulsions à verrouillage de phase relatif à l'aide d'un modèle de bande simplifié et de la "diffusion Raman, " le phénomène sous-jacent à la génération de phonons, et calculé les amplitudes des phonons pour différentes conditions de polarisation.

Leur modèle a prédit à la fois l'interférence des électrons et des phonons pour les impulsions à polarisation parallèle comme prévu, sans dépendre de l'orientation du cristal ou du rapport d'intensité pour la diffusion Raman autorisée et interdite. Pour les impulsions polarisées perpendiculairement, le modèle n'a prédit l'interférence des phonons qu'à un angle de 45° par rapport à la direction du cristal [100]. Cependant, lorsqu'une des impulsions était dirigée selon [100], l'interférence électronique a été excitée par la diffusion Raman autorisée.

Avec de telles idées, l'équipe attend avec impatience un meilleur contrôle cohérent des phonons optiques dans les cristaux. "Notre étude démontre que la polarisation joue un rôle assez important dans l'excitation et la détection des phonons cohérents et serait particulièrement pertinente pour les matériaux avec des modes d'interaction asymétriques, comme le bismuth, qui a plus de deux modes de phonons optiques et états électroniques. Nos résultats sont ainsi extensibles à d'autres matériaux, " dit Nakamura.