Исследование, опубликованное на этой неделе в Physical Review B как Rapid Communication, имеет потенциальные применения в фотонных устройствах, основанных на оптических свойствах квантовых ям.Резонансная флуоресценция — это флуоресценция атома или молекулы, в которой излучаемый свет имеет ту же частоту, что и поглощаемый свет.Для изучения этого процесса физики-теоретики часто полагаются на очень грубое приближение «двухуровневой системы», в котором все физические характеристики атома сводятся к наличию электрона либо на нижнем, либо на возбужденном уровне.
Несмотря на свою простоту, эта модель может успешно описывать взаимодействия света и вещества во многих квантовых системах, отличных от атомов, таких как квантовые точки и сверхпроводящие кубиты.Сценарий становится более сложным, когда эксперимент проводится на легированной квантовой яме, двумерной наноструктуре, состоящей из различных полупроводниковых слоев толщиной с несколько атомных слоев, в которых электроны плотно упакованы. Новое исследование показывает, что квантовая интерференция, возникающая в двумерном электронном газе, заключенном между полупроводниковыми слоями, затем изменяет спектр резонансной флуоресценции. «Электронные возбуждения в этих двумерных наноструктурах все еще можно моделировать как набор двухуровневых систем», — говорит Натан Шамма, аспирант группы Quantum Light and Matter и соавтор исследования. «Однако предположение о том, что это невзаимодействующие и независимые атомоподобные системы, не учитывает« скрещенных »электронных переходов, которые происходят между различными двухуровневыми системами, возможность, открытая в двумерном электронном газе», — добавляет он.Применяя эту расширенную возможность к 2D-наноструктурам, исследователи из Саутгемптона описали новые эффекты в излучаемом ими свете, которые они ожидают.
Сначала электроны колеблются между двумя уровнями когерентно, как в коллективном танце. Со временем электроны могут не совпадать по фазе друг с другом из-за других процессов рассеяния. Когда двухуровневые системы не совпадают по фазе, эти перекрестные переходы затруднены из-за принципа исключения Паули. Это приводит к модификации спектра резонансной флуоресценции системы и, в свою очередь, позволяет определить разницу между двумя когерентными и некогерентными режимами динамики электронов.
«Этот новый механизм намекает на интригующую возможность измерения времени когерентности двумерного электронного газа с помощью резонансной флуоресценции», — добавляет д-р Симоне Де Либерато, соавтор исследования и руководитель университетской группы квантовой теории и технологий.