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Yidian Zixun (China)

Ultrafast particle interactions could help make quantum information devices feasible

Publicado em 19 setembro 2020

能够延长保留能量的时间,是量子信息发展的一个关键目标!

延长系统在失去能量到局部环境之前,能够延缓保留能量的时间是量子信息发展的一个关键目标。这个间隔被称为“相干时间”,已经进行了几项研究,目的是延缓退相干。巴西圣保罗州坎皮纳斯大学Gleb Wataghin物理研究所(IFGW-UNICAMP)的研究人员和国际合作者进行了一项研究,旨在了解飞秒(10-^15 s)时间尺度上的退相干过程,其研究成果发表在了《物理评论快报》期刊上。

在这项研究中,在飞秒时间尺度上观察到了激子(激发电子)和声子(晶格中振动能量的量子单位)之间的相互作用。使用具有高时间分辨率和光谱分辨率的革命性超快光谱技术,是研究成功的基础,实验是在低温下将半导体纳米晶体分散在胶体溶液中进行。研究发现,当材料被(光)激发时,它发出的光在200飞秒内改变颜色,这是由于激子和声子之间的相互作用。

激子将接收的部分能量转移到晶格上,就会导致频率的改变,从而改变发射颜色。本研究是第一个观察到这种现象的,以前从未被观察到,因为从每个激子转移到晶格的能量很小,相当于26毫电子伏特(26×10-^3 eV)。这个过程需要很短的时间,持续不到200飞秒(200×10-^15秒)。已经观察到类似的现象,但由于其他过程,时间尺度要长得多。

研究小组长期研究尺寸在1纳米到10纳米之间的半导体纳米材料,在促进这些材料的生长时出现了一个主要挑战,因为每个单独的单元生长不同;因此,在激发后由材料发射的光谱被加宽,各个分量以略微不同的频率发射,并且发射的颜色不太精确。当单个粒子被隔离时,光谱变窄,但信号检测被延迟。换句话说,光谱分辨率得到了提高,但时间分辨率有所损失。

大约五年前,研究人员就开始研究一种技术,可以从一组10~20 nm的粒子中,挑选出几千个相同粒子组成的子集。这使我们能够实现非常精细和精确的光谱分辨率,以及精细的时间分辨率。在这项研究中,在极短的时间内获得了一组粒子的单粒子光谱分辨率。如上所述,这个实验解决方案使研究人员能够访问迄今未知的物理过程,例如超快激子和声子相互作用。值得一提的是,在凝聚态物理中,声子是与在晶格中传播振动量子相关联的准粒子。

对于所获得的结果,目前还没有直接的技术应用,但在不太遥远的将来,飞秒时间尺度上的物理相互作用知识可以帮助科学家控制材料结构,使激子更长时间地保留来自电或光脉冲的能量,延缓量子系统中的退相干。延长相干性是光学开关和单光子发射器等器件成功的关键,实际上,目标是将能源浪费减少到最低限度。当材料改变颜色时,意味着它正在失去能量。研究发现这种损失非常快,这就是本研究想要延缓的。

博科园|研究/来自:FAPESP

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/physrevlett.123.057403

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