Схематическая диаграмма существующего процесса генерации эха. (а) Пара электрон-дырка создается импульсом фотовозбуждения. (б) После возбуждения электрон и дырка движутся в противоположных направлениях. (c) Возбуждающий импульс электрического поля изменяет относительную скорость электронно-дырочных пар на противоположную, что приводит к рекомбинации пар и излучению эхо-импульсов. Кредит: Ацуши Оно

Квантовое царство атомных частиц наполнено случайностью. Тем не менее точное управление квантовыми системами, такими как квантовые компьютеры, имеет большое значение для современной квантовой науки и перспективных квантовых технологий.

В классическом мире время постоянно движется вперед. Но в квантовом мире время теоретически податливо и обратимо. И именно с помощью этой динамики обращения времени ученые пытались управлять квантовыми системами . Например, спиновое эхо, предложенное Эрвином Ганом в 1950 году, широко наблюдается в квантовых спиновых системах и является фундаментальным для ядерно-магнитного резонанса и систем магнитного резонанса.

Однако применение такого явления обращения времени становится затруднительным в более сложных квантовых системах с конденсированным веществом, т. е. в квантовых системах с бесконечными степенями свободы. Это связано с тем, что квантовая когерентность быстро теряется при взаимодействии с окружающей средой.

Теперь исследовательская группа под руководством Ацуши Оно, доцента кафедры физики Университета Тохоку, обнаружила новый тип явления эха, связанного со структурой энергетических зон в кристаллических твердых телах. Так называемые «эхо энергетического диапазона» были обнаружены после того, как группа начала теоретически исследовать сверхбыструю динамику оптически управляемых квазичастиц в кристаллических твердых телах.

Подробности их выводов были опубликованы в журнале Physical Review Research 30 ноября 2022 года.

Численное моделирование группы и аналитические выражения показали, что квазичастицы когерентно управляются импульсом электрического поля, а процесс фотовозбуждения генерирует эхо, когда квазичастицы рекомбинируют. Эти эхо-импульсы несут информацию об дисперсионных соотношениях квазичастиц.

Кроме того, Оно и его команда наблюдали эхо-сигналы в энергетических полосах даже в сильно коррелированных системах, где свободные электроны не являются четко определенными квазичастицами из-за многочастичных взаимодействий.

«Наше открытие дает другую перспективу сверхбыстрой динамики, которая управляется и контролируется световой волной», — сказал Оно. «Эхо-сигналы в диапазоне энергий можно использовать для спектроскопии с полным оптическим импульсным разрешением квазичастиц как в кристаллических твердых телах , так и в холодных атомах в оптических решетках, даже при наличии сильных многочастичных корреляций».