Descoberta de interação ultrarrápida pode viabilizar dispositivos para informação quântica

Pesquisa noticiada em Physical Review Letters detectou transferência de energia de elétrons excitados para a rede cristalina na escala do femtossegundo. Conhecimento abre caminho para desenvolvimento de materiais que prolonguem o tempo de coerência

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Energia é informação. Estender o intervalo de tempo no qual um sistema é capaz de reter energia, antes de perdê-la para o meio, constitui um objetivo fundamental para o desenvolvimento da informação quântica. Esse intervalo é denominado “tempo de coerência”. E vários estudos têm sido realizados com o objetivo de retardar o processo de decoerência.

Um estudo realizado por pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), em parceria com colegas do Departamento de Física da University of Michigan, nos Estados Unidos, e do Instituto Avançado de Nanotecnologia da Sungkyunkwan University, na Coreia do Sul, buscou entender o processo de decoerência na escala de tempos de femtossegundos (10^-15 s). Artigo a respeito acaba de ser publicado em Physical Review Letters.

Na pesquisa, interações entre elétrons excitados (éxcitons) e a vibração da rede cristalina (fônons) foram observadas na escala de tempo de femtossegundos. A aplicação de uma técnica revolucionária de espectroscopia ultrarrápida, que permite alta resolução temporal e espectral, foi fundamental para a obtenção do resultado. O estudo teve o suporte da FAPESP no âmbito de um Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores concedido a Lázaro Aurélio Padilha Junior e de um projeto SPRINT (São Paulo Researchers in International Collaboration) conduzido em parceria com a University of Michigan.

Padilha foi um dos coordenadores da pesquisa e o pós-doutorando Diogo Burigo Almeida, na época em Michigan, um dos autores principais. O processo experimental foi realizado com nanocristais semicondutores dispersos em solução coloidal em temperaturas criogênicas.

“Observamos que, quando o material é excitado [pela luz], a luz que ele emite muda de cor em tempo inferior a 200 femtossegundos. Isso se deve à interação do éxciton [o elétron excitado] com o fônon [a excitação da rede cristalina]. O elétron excitado transfere parte da energia que recebeu para a rede. Isso provoca mudança de frequência e, portanto, mudança de cor da emissão”, disse Padilha à Agência FAPESP.

O pesquisador acredita que esta foi a primeira vez que se observou tal tipo de fenômeno. “Não havia sido observado antes porque o deslocamento de energia do elétron para a rede é muito pequeno, de 26 mili-elétron-volts (26x10^-3 eV), e o tempo do processo é extremamente curto, menor do que 200 femtossegundos (200x10^-15 s). Já haviam sido observados fenômenos similares, porém, ocorrendo em escalas de tempo muito maiores e devido a outros processos. Acessamos relações físicas até então desconhecidas”, disse.

Seu grupo de pesquisa estuda nanomateriais semicondutores com tamanhos da ordem de 1a 10 nanômetros. Um desafio muito grande é que, quando se promove o crescimento desses materiais, cada unidade individual cresce de maneira um pouco diferente das outras. O resultado é que a faixa espectral na qual o conjunto do material emite luz depois de uma excitação se alarga, pois os vários componentes emitem em frequências um pouco diferentes umas das outras. Assim, a luz emitida apresenta uma definição de cor menos precisa. Quando se isola uma partícula única, o espectro da emissão luminosa se estreita, porém, o tempo de detecção do sinal é retardado. Há um ganho de resolução espectral, mas uma perda de resolução temporal.

“Há cerca de cinco anos, começamos a trabalhar com uma técnica que, em um conjunto de 10²⁰ partículas, consegue pinçar subconjuntos com alguns milhares de partículas idênticas. Isso possibilitou que chegássemos agora a uma resolução espectral bastante fina, e por isso precisa, e a uma resolução temporal fina também. Assim, obtivemos para um coletivo de partículas a resolução espectral de uma partícula única, em tempo excepcionalmente curto”, disse Padilha.

Essa solução experimental permitiu que os pesquisadores acessassem processos físicos até então desconhecidos, como a interação ultrarrápida éxciton-fônon. Vale lembrar que, na física da matéria condensada, o fônon é uma quase-partícula associada a um quantum de vibração que se propaga pela rede cristalina.

Não há aplicação tecnológica imediata para os resultados obtidos. Mas o conhecimento das interações físicas que ocorrem na escala de tempo de femtosseguntos pode abrir caminho para que, em um futuro não muito distante, se torne possível controlar a estrutura de materiais de modo a que os elétrons retenham por mais tempo a energia dos impulsos elétricos ou luminosos que os excitam. E, desse modo, retardar o processo de “decoerência” de sistemas quânticos.

“Aumentar o tempo de coerência é uma questão-chave para o sucesso de dispositivos como o chaveador óptico ou o emissor de fóton único. O que se busca, na verdade, é reduzir ao mínimo o desperdício de energia. Quando o material muda de cor, isso significa que ele está perdendo energia. Descobrimos que essa perda é extremamente rápida. E é isso que queremos retardar”, disse Almeida.

O artigo Non-Markovian Exciton-Phonon Interactions in Core-Shell Colloidal Quantum Dots at Femtosecond Timescales, de A. Liu, D. B. Almeida, W. K. Bae, L. A. Padilha, and S. T. Cundiff, pode ser lido em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.057403.