Een internationale samenwerking, geleid door wetenschappers van Macquarie University, heeft een nieuwe kwantumopticatechniek geïntroduceerd die ongekende toegang kan bieden tot de fundamentele eigenschappen van licht-materie-interacties in halfgeleiders.

Het onderzoek is op 15 januari gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics , maakt gebruik van een nieuwe spectroscopische techniek om interacties tussen fotonen en elektronen op kwantumschaal te onderzoeken.

Professor Thomas Volz, co-auteur van de studie- en onderzoeksgroepleider aan de School of Mathematical and Physical Sciences van Macquarie University, zegt dat het werk het potentieel heeft om een ​​doorbraak te bewerkstelligen in de mondiale zoektocht naar toegankelijke kwantumfotonische technologieën.

"We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die gebruik maakt van de stralingskwantumcascade, waarbij fotonen die zijn opgeslagen in een materiële reis naar beneden gaan op een ladder van energieniveaus die worden gegenereerd wanneer licht en materie op elkaar inwerken", zegt professor Volz.

"Dit geldt zelfs als de interacties zo zwak zijn dat de resulterende energieniveaus voorheen te dichtbij waren om te onderscheiden."

Dit vermogen om dichterbij het kwantumrijk te kijken, heeft een enorm potentieel.

"Door te begrijpen hoe deze kleine lichtdeeltjes samenwerken, krijgen we waardevolle inzichten in de kwantumeigenschappen van vaste materialen, zoals halfgeleiders", zegt professor Volz.

De techniek van het team, die ze 'foton-cascade correlatiespectroscopie' noemden, combineert spectrale filtering en foton-correlatieanalyse om interacties tussen halfgeleider-exciton-polaritonen bloot te leggen, dit zijn quasi-deeltjes die bestaan ​​uit zowel fotonen (licht) als materie (excitonen). .

Co-auteur Dr. Lorenzo Scarpelli, voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Macquarie Universiteit en nu postdoctoraal onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft in Nederland, zegt:"Foton-cascade correlatiespectroscopie werkt een beetje als een microscoop voor fotonen.

"We creëren een tijdsbeeld van de fotonen, en dit vertelt ons of ze de neiging hebben om samen te reizen of niet, en stelt ons ook in staat informatie te verkrijgen over de kracht van hun interactie."

Hij zegt dat de nieuwe techniek van het team hen in staat stelde interacties te detecteren waarbij complexe gebonden toestanden van drie of meer deeltjes betrokken waren, wat voorheen alleen in theorie bestond.

Deze bevinding is belangrijk in de kwantumoptica omdat het wetenschappers in staat stelt specifieke overgangen van afzonderlijke fotonen direct te exciteren en te meten, waardoor ze subtiele kwantumeffecten van weinig deeltjes in vastestofsystemen kunnen karakteriseren en materialen kunnen identificeren die goed zouden kunnen werken in nieuwe toepassingen. P>

"Er wordt wereldwijd gezocht naar materialen waarmee we kunnen bepalen hoe lichtdeeltjes op elkaar inwerken, zodat we optische transistors en zeer snelle optische schakelaars kunnen bouwen en informatie kunnen verwerken met afzonderlijke lichtdeeltjes in plaats van met elektronen", zegt professor Volz. /P>

"Het basismateriaal voor onze experimenten is galliumarsenide, maar de techniek kan ook gemakkelijk worden toegepast op andere materialen, waarbij we vergelijkbare natuurkundige effecten of gedrag kunnen verwachten.

"Deze techniek zal ons in staat stellen waardevolle inzichten te verwerven in de kwantumeigenschappen van vaste materialen."

Meer informatie: Lorenzo Scarpelli et al., Correlaties tussen veel lichamen onderzoeken met behulp van kwantum-cascade correlatiespectroscopie, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02322-x

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Macquarie University