Fononen zijn discrete eenheden van trillingsenergie die worden voorspeld door de kwantummechanica en die overeenkomen met collectieve oscillaties van atomen in een molecuul of een kristal. Wanneer dergelijke trillingen worden geproduceerd door licht dat in wisselwerking staat met een materiaal, de trillingsenergie kan heen en weer worden overgedragen tussen individuele fononen en individuele pakketten lichtenergie, de fotonen. Dit proces wordt het Raman-effect genoemd.

In een nieuwe studie, het lab van Christophe Galland van EPFL's Institute of Physics heeft een techniek ontwikkeld voor het meten, in realtime en op kamertemperatuur, de creatie en vernietiging van individuele fononen, het openen van spannende mogelijkheden op verschillende gebieden, zoals spectroscopie en kwantumtechnologieën.

De techniek maakt gebruik van ultrakorte laserpulsen, dit zijn uitbarstingen van licht die minder dan 10 . duren ^-13 seconden (een fractie van een biljoenste van een seconde). Eerst, een dergelijke puls wordt op een diamantkristal geschoten om een ​​enkele fonon erin op te wekken. Wanneer dit gebeurt, een partnerfoton wordt gecreëerd op een nieuwe golflengte door het Raman-effect en wordt waargenomen met een gespecialiseerde detector, het succes van de voorbereidingsstap aankondigen.

Tweede, om het kristal te ondervragen en de nieuw gecreëerde fonon te onderzoeken, de wetenschappers vuren nog een laserpuls in de diamant. Dankzij een andere detector, ze registreren nu fotonen die de energie van de trilling hebben geabsorbeerd. Deze fotonen getuigen dat de fonon nog leefde, wat betekent dat het kristal nog steeds trilde met precies dezelfde energie.

Dit is in sterke tegenspraak met onze intuïtie:we zijn eraan gewend om te zien dat vibrerende objecten in de loop van de tijd geleidelijk hun energie verliezen, als een gitaarsnaar waarvan het geluid wegsterft. Maar in de kwantummechanica is dit "alles of niets":het kristal trilt met een specifieke energie of het is in rusttoestand; daartussen is geen staat toegestaan. Het verval van de fonon in de loop van de tijd wordt daarom waargenomen als een afname van de kans om het in de aangeslagen toestand te vinden in plaats van naar de rusttoestand te zijn gesprongen.

Door deze aanpak, de wetenschappers konden de geboorte en dood van een enkele fonon reconstrueren door de output van de twee fotondetectoren te analyseren. "In de taal van de kwantummechanica, de handeling van het meten van het systeem na de eerste puls creëert een goed gedefinieerde kwantumtoestand van de fonon, die wordt gesondeerd door de tweede puls, ", zegt Christophe Galland. "We kunnen daarom het fonon-verval in kaart brengen met een zeer fijne tijdresolutie door de tijdsvertraging tussen de pulsen te veranderen van nul tot enkele biljoensten van een seconde (10 ^-12 seconden of picoseconden)."

De nieuwe techniek kan worden toegepast op veel verschillende soorten materialen, van bulkkristallen tot enkele moleculen. Het kan ook worden verfijnd om meer exotische vibrerende kwantumtoestanden te creëren, zoals verstrengelde toestanden waar energie wordt "gedelokaliseerd" over twee trillingsmodi. En dit alles kan worden uitgevoerd in omgevingscondities, benadrukken dat exotische kwantumverschijnselen in ons dagelijks leven kunnen voorkomen - we moeten gewoon heel snel kijken.