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Pulsos de laser quase unipolares podem controlar qubits

Carimbo de data / hora: 1 de julho de 2022, 5h

Os físicos criaram uma onda de luz que é efetivamente unipolar, o que significa que ela se comporta como se fosse apenas um pulso de campo positivo, em vez da oscilação positivo-negativa usual encontrada nas ondas eletromagnéticas. O pulso positivo tem um pico agudo e alta amplitude e é poderoso o suficiente para mudar ou mover estados eletrônicos, o que significa que poderia ser usado para manipular informações quânticas e talvez também acelerar a computação convencional.

Ondas eletromagnéticas, e em particular pulsos de luz, podem ser usadas para alternar, caracterizar e controlar estados quânticos eletrônicos com incrível precisão, explicam os líderes da equipe Mackillo Kira e Rupert Huber da Universidade de Michigan nos EUA e os votos de Universidade de Regensburg na Alemanha. No entanto, a forma de tais pulsos é fundamentalmente restrita a uma combinação de oscilações positivas e negativas que somam zero. Como resultado, o ciclo positivo pode mover portadores de carga (elétrons ou lacunas), mas então o ciclo negativo os puxa de volta à estaca zero.

O pico positivo é forte o suficiente para mudar ou mover estados eletrônicos

Um pulso de comutação eletrônico quântico ideal seria tão altamente assimétrico que seria completamente unidirecional - em outras palavras, conteria apenas um meio ciclo positivo (ou negativo) de oscilação de campo. Sob estas condições, tal pulso poderia inverter um estado quântico, como um bit quântico, em tempo mínimo (meio ciclo) e com eficiência máxima (sem oscilações de vaivém).

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Isto é fundamentalmente impossível para ondas de propagação livre, mas Kira, Huber e colegas encontraram uma maneira de criar a “próxima melhor coisa” na forma de uma onda quase unipolar que consiste em um pico positivo muito curto e de alta amplitude imprensado entre dois picos negativos longos e de baixa amplitude. “O pico positivo é forte o suficiente para mudar ou mover estados eletrônicos”, explicam Kira e Huber, “enquanto os picos negativos são pequenos demais para ter grande efeito”.

Em seu trabalho, os pesquisadores começaram com uma pilha recém-desenvolvida de nanofilmes feitos de diferentes materiais semicondutores, como o arsenieto de índio e gálio (InGaAs), que foi cultivado epitaxialmente em antimoneto de arsenieto de gálio (GaAsSb). Cada um dos nanofilmes tem apenas alguns átomos de espessura e, na interface entre eles, pulsos de laser ultracurtos podem excitar elétrons principalmente no filme InGaAs. Os buracos deixados pelos elétrons excitados permanecem no filme GaAsSb, criando uma separação de carga.

Pulsos de luz eficazes de meio ciclo

“Em seguida, fizemos uso de nosso avanço teórico quântico ao explorar a atração eletrostática entre os elétrons e buracos com cargas opostas para reuni-los novamente de uma forma precisamente controlada”, disse Kira. Mundo da física. “O carregamento rápido e as oscilações de carga mais lentas combinadas emitiram a onda unipolar que adaptamos como pulsos de luz eficazes de meio ciclo na parte do infravermelho distante e terahertz do espectro eletromagnético.”

Huber descreve a emissão de terahertz resultante como “incrivelmente unipolar”, com o único meio ciclo positivo atingindo um pico cerca de quatro vezes maior do que os dois picos negativos. Embora os pesquisadores tenham trabalhado há muito tempo na produção de pulsos de luz com cada vez menos ciclos de oscilação, a possibilidade de gerar pulsos de terahertz tão curtos que efetivamente compreendam menos de um único meio ciclo de oscilação estava, acrescenta ele, “além dos nossos sonhos ousados”. ”.

Kira e Huber dizem que esses campos unipolares de terahertz podem ser uma ferramenta poderosa para controlar novos materiais quânticos em escalas de tempo comparáveis ​​ao movimento eletrônico microscópico. Os pesquisadores sugerem que os campos também poderiam servir como “mecanismos de relógio” superiores e bem definidos para a eletrônica ultrarrápida da próxima geração. Finalmente, os novos emissores estão, afirmam, “perfeitamente adaptados” para operar em combinação com lasers de estado sólido de alta potência e de nível industrial e poderiam assim formar “uma plataforma extremamente escalável para aplicações tanto na ciência fundamental como na indústria”.

Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em Light: Ciência e Aplicações, dizem que começaram a usar esses pulsos para explorar novas plataformas para processamento de informações quânticas. “Outras aplicações incluem o acoplamento desses pulsos em um microscópio de tunelamento de varredura, o que nos permite acelerar a microscopia de resolução atômica para escalas de tempo de poucos femtossegundos (1 fs = 10-15 s), e assim capturar o movimento dos elétrons no espaço e no tempo real em vídeos microscópicos reais em câmera ultralenta”, explicam.

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