Pesquisadores observam estados de Floquet em nanoplaquetas coloidais impulsionadas por pulsos visíveis

Nanocristais semicondutores processados ​​em solução também são chamados de pontos quânticos coloidais (QDs). Embora o conceito de efeitos quânticos dependentes do tamanho fosse conhecido há muito tempo pelos físicos, uma escultura da teoria em objetos nanodimensionais reais permaneceu impossível até a descoberta dos QDs. As cores dependentes do tamanho dos QDs são essencialmente visualizações a olho nu, em condições ambientais, do efeito do tamanho quântico.

Nos últimos anos, pesquisadores do mundo todo têm buscado efeitos ou fenômenos quânticos fascinantes usando a plataforma material de QDs, como emissão de fóton único e manipulação de coerência quântica.

Estados de Floquet (ou seja, os estados vestidos de fótons) são ubiquamente invocados para explicar fenômenos quânticos em relação à interação coerente entre o campo de luz e a matéria. No entanto, a observação direta desses estados de Floquet tem sido um desafio experimental.

Por exemplo, somente até muito recentemente pesquisadores relataram assinaturas experimentais de bandas Floquet-Bloch em fósforo preto (um semicondutor de modelo de gap estreito) interagindo com pulsos de infravermelho médio usando espectroscopia de fotoemissão complexa resolvida em tempo e ângulo. Em tais estudos, as amostras foram quase exclusivamente alojadas em ambientes de baixa temperatura e alto vácuo, e os campos de condução foram ajustados para as regiões de infravermelho, terahertz ou mesmo micro-ondas para evitar danos à amostra.

Em um estudo publicado em Fotônica da NaturezaO Prof. Wu Kaifeng e seus colegas do Instituto de Física Química de Dalian da Academia Chinesa de Ciências relataram a primeira observação direta de estados de Floquet em semicondutores usando espectroscopia totalmente óptica na região do visível ao infravermelho próximo sob condições ambientais.

Os pesquisadores adotaram as nanoplaquetas coloidais quase bidimensionais desenvolvidas na última década. O confinamento quântico forte e atomicamente preciso na dimensão da espessura resulta em transições interbanda e intersubbanda nas regiões visível e infravermelha próxima, respectivamente. Os níveis envolvidos em tais transições formam naturalmente um sistema de três níveis.

Um fóton visível sub-bandgap veste um estado de buraco pesado (|hh1⟩) para um estado Floquet da mesma paridade que o primeiro estado de elétron quantizado (|e1⟩), permitindo que este estado Floquet seja sondado por um fóton infravermelho próximo através de sua transição para o segundo estado de elétron quantizado (|e2⟩).

Além disso, enquanto os estados Floquet transitoriamente povoados eram frequentemente assumidos como desaparecendo fora da sobreposição temporal dos pulsos de bombeamento e sondagem, os pesquisadores observaram diretamente a defasagem do estado Floquet em população real de |e1⟩ em centenas de femtossegundos. Todas as observações experimentais neste estudo são substanciadas por simulações mecânicas quânticas.

“Este estudo não apenas fornece uma observação direta totalmente óptica dos estados de Floquet em materiais semicondutores, mas também revela a rica física espectral e dinâmica dos estados de Floquet que pode ser aproveitada para controlar dinamicamente as respostas ópticas e a evolução coerente em sistemas de matéria condensada”, disse o Prof. Wu.

Como a demonstração atual é obtida para materiais coloidais sob condições ambientais, ela expandirá o alcance da engenharia de Floquet, que atualmente se concentra em adaptar as propriedades quânticas e topológicas de materiais de estado sólido, para controlar coerentemente reações químicas de superfície/interfacial por meio de campo de luz não ressonante.