Управляющие электроны и колебания в кристалле с поляризованным светом

Квантовое атомных колебаний, возбуждаемых в кристалле с помощью световых импульсов, во многом связано с поляризацией импульсов, говорят материаловеды из Токийского технологического института. Результаты их последнего исследования предлагают новый управляющий параметр для манипулирования когерентно возбужденными колебаниями в твердых материалах на квантовом уровне.


Невооруженным глазом твердые тела могут казаться совершенно неподвижными, но на самом деле составляющие их атомы и молекулы совсем не такие. Они вращаются и колеблются, соответственно определяя так называемые «вращательные» и «колебательные» энергетические состояния системы. Поскольку эти атомы и молекулы подчиняются правилам квантовой физики, их вращение и колебания фактически дискретизируются, а дискретный «квант» воображается как мельчайшая единица такого движения. Например, квант атомной вибрации – это частица, называемая «фонон».

Атомные колебания и, следовательно, фононы могут быть созданы в твердом теле, если направить на него свет. Обычный способ сделать это – использовать «ультракороткие» световые импульсы (импульсы длительностью от десятков до сотен фемтосекунд) для возбуждения фононов и управления ими, метод, известный как «когерентное управление». Хотя управление фононами обычно осуществляется путем изменения относительной фазы между последовательными оптическими импульсами, исследования показали, что поляризация света также может влиять на этих «оптических фононов».

Группа доктора Казутаки Накамуры из Токийского технологического института (Токийский технологический институт) исследовала когерентное управление продольными оптическими (LO) фононами (т.е. фононами, соответствующими продольным колебаниям, возбуждаемым светом) на поверхности монокристалла GaAs (арсенида галлия) и наблюдали «квантовую интерференцию» как для электронов, так и для фононов для параллельной поляризации, в то время как только для фононной интерференции для взаимно перпендикулярной поляризации. «Мы разработали квантово-механическую модель с классическими световыми полями для когерентного управления амплитудой LO-фононов и применили ее к кристаллам GaAs и алмаза. Однако мы не исследовали эффекты поляризационной корреляции между световыми импульсами достаточно подробно», – говорит он. Доктор Накамура, доцент Tokyo Tech.

Соответственно, его команда сосредоточила внимание на этом аспекте в новом исследовании, опубликованном в Физический B. Они смоделировали генерацию LO-фононов в GaAs с помощью двух относительных синхронизированных импульсов, используя упрощенную зонную модель и «рамановское рассеяние», явление, лежащее в основе генерации фононов, и рассчитали амплитуды фононов для различных условий поляризации.

Их модель предсказывала интерференцию электронов и фононов для импульсов с параллельной поляризацией, как и ожидалось, без зависимости от ориентации кристалла или соотношения интенсивностей разрешенного и запрещенного комбинационного рассеяния света. Для перпендикулярно поляризованных импульсов модель предсказывала только фононную интерференцию под углом 45 ° от [100] кристаллическое направление. Однако, когда один из импульсов был направлен вдоль [100]электронная интерференция возбуждалась разрешенным комбинационным рассеянием света.

Благодаря такому пониманию, команда надеется на лучшее когерентное управление оптическими фононами в кристаллах. «Наше исследование демонстрирует, что поляризация играет довольно важную роль в возбуждении и обнаружении когерентных фононов и будет особенно актуальной для материалов с асимметричными модами взаимодействия, таких как висмут, который имеет более двух оптических фононных мод и электронных состояний. Наши результаты таковы. таким образом, его можно распространить на другие материалы », – комментирует Накамура.

Действительно, у света есть способы взволновать как материаловедов, так и материаловедов!

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments