Energie is informatie. Een belangrijk doel voor de ontwikkeling van kwantuminformatie is het verlengen van de tijd waarin een systeem in staat is om energie vast te houden voordat het deze aan de lokale omgeving verliest. Dit interval wordt de "coherentietijd" genoemd. Er zijn verschillende onderzoeken gedaan om decoherentie te vertragen.

Een studie uitgevoerd door onderzoekers van het Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) van de Universiteit van Campinas in de staat São Paulo, Brazilië, en internationale medewerkers wilden het decoherentieproces op de femtoseconde begrijpen (10 ^-15 s) tijdschema. Een artikel waarin de resultaten worden beschreven, is gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven .

In de studie, interacties tussen excitonen (geëxciteerde elektronen) en fononen (kwantumeenheden van trillingsenergie in een kristalrooster) werden waargenomen op de femtoseconde tijdschaal. Een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde.

Het gebruik van een revolutionaire ultrasnelle spectroscopietechniek met een hoge temporele en spectrale resolutie was van fundamenteel belang voor het succes van het onderzoek. Lázaro Aurélio Padilha Jr. was een van de hoofdonderzoekers van het project, en Diogo Burigo Almeida, daarna een postdoctoraal onderzoeker in Michigan, was een van de belangrijkste auteurs. Het experiment werd uitgevoerd met halfgeleidende nanokristallen gedispergeerd in een colloïdale oplossing bij cryogene temperaturen.

"We ontdekten dat wanneer het materiaal wordt geëxciteerd [door licht], het licht dat het uitstraalt, verandert van kleur in minder dan 200 femtoseconden. Dit komt door de interactie tussen excitonen en fononen. De excitonen dragen een deel van de energie die ze ontvangen over naar het kristalrooster. Dit veroorzaakt een verandering van frequentie en dus een verandering van emissiekleur, ' zei Padilha.

Hun studie was de eerste om dit fenomeen te observeren. "Het was nog nooit eerder waargenomen omdat de hoeveelheid energie die van elk exciton naar het rooster wordt overgedragen klein is, overeenkomend met 26 milli-elektron volt (26x10 ^-3 ev), en het proces duurt erg kort, duurt minder dan 200 femtoseconden (200x10-15 s). Soortgelijke verschijnselen zijn waargenomen, maar op veel grotere tijdschalen en als gevolg van andere processen. We kregen toegang tot tot nu toe onbekende fysieke relaties, " hij zei.

Hij en zijn onderzoeksgroep bestudeerden lange tijd halfgeleider nanomaterialen met afmetingen tussen 1 nanometer en 10 nm. Een grote uitdaging ontstaat bij het bevorderen van de groei van deze materialen, aangezien elke individuele eenheid anders groeit; Vandaar, het spectrum van licht dat door het materiaal wordt uitgestraald na excitatie wordt verbreed, waarbij de verschillende componenten op licht verschillende frequenties uitzenden, en de kleur van de emissie is minder nauwkeurig. Wanneer een enkel deeltje wordt geïsoleerd, het spectrum wordt smaller, maar signaaldetectie is vertraagd. Met andere woorden, spectrale resolutie wordt verbeterd, maar met verlies van temporele resolutie.

"Ongeveer vijf jaar geleden begonnen we te werken met een techniek die subsets van een paar duizend identieke deeltjes kan onderscheiden uit een set van 1020 nm-deeltjes, Padilha zei. "Dit heeft ons in staat gesteld om zeer fijne en nauwkeurige spectrale resolutie te bereiken, evenals fijne temporele resolutie. In dit onderzoek, we hebben in een uitzonderlijk korte tijd een spectrale resolutie van één deeltje verkregen voor een groep deeltjes."

Zoals opgemerkt, deze experimentele oplossing stelde de onderzoekers in staat om toegang te krijgen tot tot nu toe onbekende fysieke processen, zoals de ultrasnelle exciton-fonon interactie. Het is de moeite waard eraan te herinneren dat in de fysica van de gecondenseerde materie, de fonon is een quasi-deeltje geassocieerd met het kwantum van trillingen dat zich voortplant in een kristalrooster.

Er zijn geen directe technologische toepassingen voor de verkregen resultaten, maar in de niet al te verre toekomst kennis van fysieke interacties op de femtoseconde tijdschaal kan wetenschappers helpen de structuur van materialen te beheersen, zodat excitonen energie van elektrische of lichtimpulsen voor langere perioden vasthouden, het vertragen van decoherentie in kwantumsystemen.

"Het verlengen van de coherentie is de sleutel tot het succes van apparaten zoals optische schakelaars en single-photon emitters, "Zei Almeida. "Eigenlijk, wat u wilt doen, is energieverspilling tot een minimum beperken. Als het materiaal van kleur verandert, het betekent dat het energie verliest. We ontdekten dat dit verlies extreem snel gaat. Dat willen we uitstellen."