用偏振光控制晶体中的电子和振动

东京理工大学的材料科学家说，使用光脉冲在晶体中激发的原子振动的量子行为与脉冲的极化有很大关系。他们最新研究的发现为在量子水平上操纵固体材料中的相干激发振动提供了一个新的控制参数。

在肉眼看来，固体可能看起来完全静止，但实际上，它们的组成原子和分子绝不是这样。它们旋转和振动，分别定义了系统所谓的“旋转”和“振动”能量状态。由于这些原子和分子遵循量子物理学的规则，它们的旋转和振动实际上是离散化的，离散的“量子”被想象为这种运动的最小单位。例如，原子振动的量子是一种称为“声子”的粒子。

原子振动和声子可以通过光照在固体中产生。一种常见的方法是使用“超短”光脉冲（数十到数百飞秒长的脉冲）来激发和操纵声子，这种技术被称为“相干控制”。虽然声子通常是通过改变连续光脉冲之间的相对相位来控制的，但研究表明，光偏振也会影响这些“光声子”的行为。

Kazutaka Nakamura 博士在东京工业大学 (Tokyo Tech) 的团队探索了 GaAs（砷化镓）单晶表面上纵向光学 (LO) 声子（即对应于光激发的纵向振动的声子）的相干控制和观察到平行极化的电子和声子的“量子干涉”，而相互垂直极化的仅声子干涉。

“我们开发了一种具有经典光场的量子力学模型，用于对 LO 声子幅度进行相干控制，并将其应用于 GaAs 和金刚石晶体。但是，我们没有足够详细地研究光脉冲之间偏振相关性的影响，”说东京工业大学副教授中村博士。

因此，他的团队在《物理评论 B》上发表的一项新研究中关注了这一方面。他们使用简化的波段模型和“拉曼散射”（声子产生的基础现象）模拟了 GaAs 中 LO 声子的产生，并具有两个相对锁相脉冲，并计算了不同极化条件下的声子振幅。

他们的模型按预期预测了平行极化脉冲的电子和声子干扰，不依赖于晶体取向或允许和禁止拉曼散射的强度比。对于垂直极化的脉冲，该模型仅预测了与 [100] 晶体方向成 45° 角的声子干涉。然而，当其中一个脉冲沿 [100] 定向时，允许的拉曼散射激发了电子干涉。

有了这些见解，该团队期待对晶体中的光学声子进行更好的相干控制。“我们的研究表明，偏振在相干声子的激发和检测中起着相当重要的作用，并且与具有不对称相互作用模式的材料尤其相关，例如具有两种以上光学声子模式和电子态的铋。我们的发现是因此可以扩展到其他材料，”中村说。