聲子是如何產(chǎn)生的？量子干涉技術(shù)為你揭曉！
量子干涉技術(shù)揭示：相干聲子的產(chǎn)生！東京理工大學(xué)和慶應(yīng)義塾大學(xué)科學(xué)家們研究了用超快雙泵浦探針激光激發(fā)和探測(cè)極性半導(dǎo)體砷化鎵中光產(chǎn)生的相干聲子。
想象一下這樣一個(gè)世界：計(jì)算機(jī)可以以指數(shù)級(jí)的速度存儲(chǔ)、移動(dòng)和處理信息，使用我們目前所說(shuō)的浪費(fèi)振動(dòng)——熱量和噪聲。雖然這可能讓我們想起科幻電影，隨著納米時(shí)代的到來(lái)，這將很快成為現(xiàn)實(shí)。
這項(xiàng)研究的前沿是量子領(lǐng)域的一個(gè)分支：量子光學(xué)。物理定律幫助是我們理解自然界的有效方式。然而，把它們應(yīng)用到我們不完美的生活中往往涉及到利用物理定律的最有效方法。因?yàn)槲覀兇蠖鄶?shù)人的生活都圍繞著信息交流，所以想出更快的溝通方式一直是我們的首要任務(wù)。這些信息大多被編碼在波和振動(dòng)中，這些波和振動(dòng)利用在空間或固體中傳播的電磁場(chǎng)，與固體設(shè)備中的粒子隨機(jī)互動(dòng)，產(chǎn)生浪費(fèi)的副產(chǎn)品：熱量和噪音。
這種相互作用通過(guò)兩個(gè)通道傳播，光的吸收或光的散射，兩者都導(dǎo)致構(gòu)成固體的原子隨機(jī)激發(fā)。通過(guò)將粒子的這種隨機(jī)激發(fā)轉(zhuǎn)化為固體的相干、可控的振動(dòng)，可以用聲音(噪音!)來(lái)傳輸信息，而不用光。這種晶格振動(dòng)的能量被包裹在稱為聲子的明確束中。然而，這一研究范圍依賴于對(duì)兩個(gè)基本點(diǎn)的理解：相干聲子的產(chǎn)生及其隨后的周期，在此期間，它保持著“信息傳輸能力”。
在慶應(yīng)義塾大學(xué)(Keio University)量子計(jì)算中心工作的Shikano教授的合作下，來(lái)自東京理工大學(xué)(Tokyo Institute of Technology)中村實(shí)驗(yàn)室的研究人員試圖回答這個(gè)問(wèn)題。光學(xué)聲子用來(lái)描述晶格中相鄰原子向相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的某種振動(dòng)模式。由于脈沖吸收(IA)和脈沖受激拉曼散射(ISRS)會(huì)引起固體晶格中這種振動(dòng)的zapping，從而導(dǎo)致聲子的產(chǎn)生，其目標(biāo)是縮小這種二分法。研究人員利用雙泵浦探針光譜法，將一個(gè)超快的激光脈沖分裂成一個(gè)更強(qiáng)的“泵浦”來(lái)激發(fā)GaAs樣品
并將一個(gè)較弱的“探針”光束照射到“振動(dòng)”樣品上。泵浦脈沖被分解成兩個(gè)共線脈沖，但波型略有偏移，從而產(chǎn)生相對(duì)鎖相脈沖。聲子振幅的增強(qiáng)或抑制，取決于建設(shè)性和破壞性的干擾。因此，通過(guò)改變泵浦脈沖之間的時(shí)間延遲。以比光周期和泵浦探測(cè)脈沖更短的步驟，可以檢測(cè)電子狀態(tài)之間的干擾，以及光學(xué)聲子之間的干擾，這顯示了光激發(fā)過(guò)程中通過(guò)光-電子-聲子相互作用產(chǎn)生相干聲子的時(shí)間特性。
從量子力學(xué)疊加中，研究人員可以篩選出信息：聲子的產(chǎn)生主要與散射(ISRS)有關(guān)。超短光脈沖產(chǎn)生技術(shù)的進(jìn)步不斷推動(dòng)著探測(cè)和操縱材料結(jié)構(gòu)組成的能力。有了這些研究為理解固體振動(dòng)奠定的基礎(chǔ)，下一步將涉及使用它們作為晶體管、設(shè)備、電子設(shè)備的積木，誰(shuí)知道呢，很快就會(huì)應(yīng)用到我們的未來(lái)！其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論B》上。
博科園｜研究/來(lái)自：東京工業(yè)大學(xué)
參考期刊《物理評(píng)論B》
DOI: 10.1103/PhysRevB.99.180301
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