Das Quantenreich der atomaren Teilchen ist eingebettet in Zufälligkeit. Dennoch ist die präzise Steuerung von Quantensystemen wie Quantencomputern von großer Bedeutung für die moderne Quantenwissenschaft und zukünftige Quantentechnologie.
In der klassischen Welt schreitet die Zeit ständig voran. Aber in der Quantenwelt ist die Zeit theoretisch formbar und umkehrbar. Und durch diese Zeitumkehrdynamik haben Wissenschaftler versucht, Quantensysteme zu kontrollieren. Beispielsweise werden Spinechos – 1950 von Erwin Hahn vorgeschlagen – in Quantenspinsystemen weithin beobachtet und sind grundlegend für Kernspinresonanz- und Magnetresonanzsysteme.
Die Anwendung eines solchen Zeitumkehrphänomens wird jedoch in anspruchsvolleren Quantenkondensierten-Materie-Systemen – dh Quantensystemen mit unendlichen Freiheitsgraden – schwierig. Das liegt daran, dass die Quantenkohärenz bei der Interaktion mit der Umgebung schnell verloren geht.
Jetzt hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Atsushi Ono, Assistenzprofessor am Institut für Physik der Tohoku-Universität, eine neue Art von Echophänomen entdeckt, das mit der Energiebandstruktur in kristallinen Festkörpern zusammenhängt. Sogenannte „Energiebandechos“ wurden entdeckt, nachdem die Gruppe begonnen hatte, die ultraschnelle Dynamik optisch angetriebener Quasiteilchen in kristallinen Festkörpern theoretisch zu untersuchen.
Details ihrer Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Physikalische Überprüfungsforschung am 30. November 2022.
Die numerische Simulation und die analytischen Ausdrücke der Gruppe zeigten, dass Quasiteilchen kohärent durch einen elektrischen Feldimpuls angetrieben werden und der Photoanregungsprozess Echos erzeugt, wenn die Quasiteilchen rekombinieren. Diese Echoimpulse enthalten Informationen über die Dispersionsverhältnisse von Quasiteilchen.
Darüber hinaus beobachteten Ono und sein Team Energiebandechos sogar in stark korrelierten Systemen, in denen freie Elektronen aufgrund von Vielteilchenwechselwirkungen keine wohldefinierten Quasiteilchen sind.
„Unsere Entdeckung bietet eine andere Perspektive der ultraschnellen Dynamik, die von einer Lichtwelle angetrieben und kontrolliert wird“, sagte Ono. „Energiebandechos könnten für rein optische impulsaufgelöste Spektroskopie von Quasiteilchen sowohl in kristallinen Festkörpern als auch kalten Atomen in optischen Gittern verwendet werden, selbst wenn starke Vielteilchenkorrelationen vorhanden sind.“
Mehr Informationen:
Shohei Imai et al, Energiebandechos: Zeitumgekehrte Lichtemission von optisch angetriebenen Quasiteilchenwellenpaketen, Physikalische Überprüfungsforschung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.043155