聲子是如何產生的？量子干涉技術為你揭曉！

量子干涉技術揭示：相干聲子的產生！東京理工大學和慶應義塾大學科學家們研究了用超快雙泵浦探針激光激發和探測極性半導體砷化鎵中光產生的相干聲子。想像一下這樣一個世界：計算機可以以指數級的速度存儲、移動和處理信息，使用我們目前所說的浪費振動——熱量和雜訊。雖然這可能讓我們想起科幻電影，隨著納米時代的到來，這將很快成為現實。

這項研究的前沿是量子領域的一個分支：量子光學。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。因為我們大多數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。這些信息大多被編碼在波和振動中，這些波和振動利用在空間或固體中傳播的電磁場，與固體設備中的粒子隨機互動，產生浪費的副產品：熱量和噪音。

這種相互作用通過兩個通道傳播，光的吸收或光的散射，兩者都導致構成固體的原子隨機激發。通過將粒子的這種隨機激發轉化為固體的相干、可控的振動，可以用聲音(噪音!)來傳輸信息，而不用光。這種晶格振動的能量被包裹在稱為聲子的明確束中。然而，這一研究範圍依賴於對兩個基本點的理解：相干聲子的產生及其隨後的周期，在此期間，它保持著「信息傳輸能力」。

（博科園-圖示2）(a) n型砷化鎵中相干縱向光學聲子(LO)的相干振蕩與(b) LO聲子-等離子體耦合振蕩的相干振蕩干涉條紋與(c)泵浦脈衝的光學干涉。(a)和(b)中的快速振蕩(周期約2.7 fs)是由於電子態之間的相互影響造成。圖片：Physical Letter B

在慶應義塾大學(Keio University)量子計算中心工作的Shikano教授的合作下，來自東京理工大學(Tokyo Institute of Technology)中村實驗室的研究人員試圖回答這個問題。光學聲子用來描述晶格中相鄰原子向相反方向運動時產生的某種振動模式。由於脈衝吸收(IA)和脈衝受激拉曼散射(ISRS)會引起固體晶格中這種振動的zapping，從而導致聲子的產生，其目標是縮小這種二分法。研究人員利用雙泵浦探針光譜法，將一個超快的激光脈衝分裂成一個更強的「泵浦」來激發GaAs樣品

並將一個較弱的「探針」光束照射到「振動」樣品上。泵浦脈衝被分解成兩個共線脈衝，但波型略有偏移，從而產生相對鎖相脈衝。聲子振幅的增強或抑制，取決於建設性和破壞性的干擾。因此，通過改變泵浦脈衝之間的時間延遲。以比光周期和泵浦探測脈衝更短的步驟，可以檢測電子狀態之間的干擾，以及光學聲子之間的干擾，這顯示了光激發過程中通過光-電子-聲子相互作用產生相干聲子的時間特性。

從量子力學疊加中，研究人員可以篩選出信息：聲子的產生主要與散射(ISRS)有關。超短光脈衝產生技術的進步不斷推動著探測和操縱材料結構組成的能力。有了這些研究為理解固體振動奠定的基礎，下一步將涉及使用它們作為晶體管、設備、電子設備的積木，誰知道呢，很快就會應用到我們的未來！其研究成果發表在《物理評論B》上。

博科園｜研究/來自：東京工業大學

參考期刊《物理評論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.99.180301

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