延長(zhǎng)系統(tǒng)在失去能量到局部環(huán)境之前，能夠延緩保留能量的時(shí)間是量子信息發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。這個(gè)間隔被稱為“相干時(shí)間”，已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，目的是延緩?fù)讼喔伞?/p>

巴西圣保羅州坎皮納斯大學(xué)Gleb Wataghin物理研究所(IFGW-UNICAMP)的研究人員和國(guó)際合作者進(jìn)行了一項(xiàng)研究，旨在了解飛秒(10-^15 s)時(shí)間尺度上的退相干過程，其研究成果發(fā)表在了《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。在這項(xiàng)研究中，在飛秒時(shí)間尺度上觀察到了激子（激發(fā)電子）和聲子（晶格中振動(dòng)能量的量子單位）之間的相互作用。

使用具有高時(shí)間分辨率和光譜分辨率的革命性超快光譜技術(shù)，是研究成功的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)是在低溫下將半導(dǎo)體納米晶體分散在膠體溶液中進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料被(光)激發(fā)時(shí)，它發(fā)出的光在200飛秒內(nèi)改變顏色，這是由于激子和聲子之間的相互作用。激子將接收的部分能量轉(zhuǎn)移到晶格上，就會(huì)導(dǎo)致頻率的改變，從而改變發(fā)射顏色。本研究是第一個(gè)觀察到這種現(xiàn)象的，以前從未被觀察到，因?yàn)閺拿總€(gè)激子轉(zhuǎn)移到晶格的能量很小，相當(dāng)于26毫電子伏特(26×10-^3 eV)。

這個(gè)過程需要很短的時(shí)間，持續(xù)不到200飛秒(200×10-^15秒)。已經(jīng)觀察到類似的現(xiàn)象，但由于其他過程，時(shí)間尺度要長(zhǎng)得多。研究小組長(zhǎng)期研究尺寸在1納米到10納米之間的半導(dǎo)體納米材料，在促進(jìn)這些材料的生長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的單元生長(zhǎng)不同；因此，在激發(fā)后由材料發(fā)射的光譜被加寬，各個(gè)分量以略微不同的頻率發(fā)射，并且發(fā)射的顏色不太精確。當(dāng)單個(gè)粒子被隔離時(shí)，光譜變窄，但信號(hào)檢測(cè)被延遲。

換句話說，光譜分辨率得到了提高，但時(shí)間分辨率有所損失。大約五年前，研究人員就開始研究一種技術(shù)，可以從一組10~20 nm的粒子中，挑選出幾千個(gè)相同粒子組成的子集。這使我們能夠?qū)崿F(xiàn)非常精細(xì)和精確的光譜分辨率，以及精細(xì)的時(shí)間分辨率。在這項(xiàng)研究中，在極短的時(shí)間內(nèi)獲得了一組粒子的單粒子光譜分辨率。如上所述，這個(gè)實(shí)驗(yàn)解決方案使研究人員能夠訪問迄今未知的物理過程，例如超快激子和聲子相互作用。值得一提的是，在凝聚態(tài)物理中，聲子是與在晶格中傳播振動(dòng)量子相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)粒子。

對(duì)于所獲得的結(jié)果，目前還沒有直接的技術(shù)應(yīng)用，但在不太遙遠(yuǎn)的將來，飛秒時(shí)間尺度上的物理相互作用知識(shí)可以幫助科學(xué)家控制材料結(jié)構(gòu)，使激子更長(zhǎng)時(shí)間地保留來自電或光脈沖的能量，延緩量子系統(tǒng)中的退相干。延長(zhǎng)相干性是光學(xué)開關(guān)和單光子發(fā)射器等器件成功的關(guān)鍵，實(shí)際上，目標(biāo)是將能源浪費(fèi)減少到最低限度。當(dāng)材料改變顏色時(shí)，意味著它正在失去能量。研究發(fā)現(xiàn)這種損失非?？?，這就是本研究想要延緩的。

博科園｜研究/來自：FAPESP

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/physrevlett.123.057403

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