Het kwantumgedrag van atomaire trillingen die in een kristal worden geëxciteerd met behulp van lichtpulsen heeft veel te maken met de polarisatie van de pulsen, zeggen materiaalwetenschappers van Tokyo Tech. De bevindingen van hun laatste onderzoek bieden een nieuwe controleparameter voor de manipulatie van coherent aangeslagen trillingen in vaste materialen op kwantumniveau.

Met het blote oog, vaste stoffen kunnen volkomen stil lijken, maar in werkelijkheid, hun samenstellende atomen en moleculen zijn allesbehalve. Ze draaien en trillen, respectievelijk definiëren van de zogenaamde "rotatie" en "vibratie" energietoestanden van het systeem. Aangezien deze atomen en moleculen de regels van de kwantumfysica gehoorzamen, hun rotatie en vibratie zijn, in feite, gediscretiseerd, met een discrete "kwantum" voorgesteld als de kleinste eenheid van een dergelijke beweging. Bijvoorbeeld, het kwantum van atomaire trillingen is een deeltje dat 'fonon' wordt genoemd.

Atomaire trillingen, en dus fononen, kan worden gegenereerd in een vaste stof door er licht op te laten schijnen. Een gebruikelijke manier om dit te doen is door gebruik te maken van "ultrakorte" lichtpulsen (pulsen die tientallen tot honderden femtoseconden lang zijn) om fononen op te wekken en te manipuleren, een techniek die bekend staat als 'coherente controle'. Terwijl de fononen meestal worden bestuurd door de relatieve fase tussen opeenvolgende optische pulsen te veranderen, studies hebben aangetoond dat lichtpolarisatie ook het gedrag van deze 'optische fononen' kan beïnvloeden.

Het team van Dr. Kazutaka Nakamura aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onderzocht de coherente controle van longitudinale optische (LO) fononen (d.w.z. fononen die overeenkomen met longitudinale trillingen geëxciteerd door licht) op het oppervlak van een GaAs (galliumarsenide) eenkristal en observeerden een "kwantuminterferentie" voor zowel elektronen als fononen voor parallelle polarisatie, terwijl alleen fonon-interferentie voor wederzijds loodrechte polarisatie.

"We ontwikkelden een kwantummechanisch model met klassieke lichtvelden voor de coherente controle van de LO-fononamplitude en pasten dit toe op GaAs en diamantkristallen. we hebben de effecten van polarisatiecorrelatie tussen de lichtpulsen niet voldoende gedetailleerd bestudeerd, " zegt Dr. Nakamura, Universitair hoofddocent bij Tokyo Tech.

Overeenkomstig, zijn team concentreerde zich op dit aspect in een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling B . Ze modelleerden het genereren van LO-fonons in GaAs met twee relatieve fasevergrendelde pulsen met behulp van een vereenvoudigd bandmodel en "Raman-verstrooiing, " het fenomeen dat ten grondslag ligt aan de fonongeneratie, en berekende de fononamplitudes voor verschillende polarisatieomstandigheden.

Hun model voorspelde zoals verwacht zowel elektronen- als fononinterferentie voor parallel gepolariseerde pulsen, zonder afhankelijkheid van kristaloriëntatie of de intensiteitsverhouding voor toegestane en verboden Raman-verstrooiing. Voor loodrecht gepolariseerde pulsen, het model voorspelde alleen fononinterferentie onder een hoek van 45° ten opzichte van de [100] kristalrichting. Echter, wanneer een van de pulsen langs werd gericht [100], elektroneninterferentie werd opgewekt door toegestane Raman-verstrooiing.

Met zulke inzichten het team kijkt uit naar een betere coherente controle van optische fononen in kristallen. "Onze studie toont aan dat polarisatie een vrij belangrijke rol speelt bij de excitatie en detectie van coherente fononen en vooral relevant zou zijn voor materialen met asymmetrische interactiemodi, zoals bismut, die meer dan twee optische fonon-modi en elektronische toestanden heeft. Onze bevindingen zijn dus uitbreidbaar naar andere materialen, ' zegt Nakamura.