Des chercheurs observent des états de Floquet dans des nanoplaquettes colloïdales entraînées par des impulsions visibles

Les nanocristaux semi-conducteurs traités en solution sont également appelés points quantiques colloïdaux (QD). Bien que le concept d’effets quantiques dépendants de la taille soit connu depuis longtemps des physiciens, une sculpture de la théorie en objets nanodimensionnels réels est restée impossible jusqu’à la découverte des QD. Les couleurs dépendantes de la taille des QD sont essentiellement des visualisations à l’œil nu et dans des conditions ambiantes de l’effet de taille quantique.

Ces dernières années, les chercheurs du monde entier ont recherché des effets ou des phénomènes quantiques fascinants en utilisant la plate-forme matérielle des QD, tels que l’émission de photons uniques et la manipulation de la cohérence quantique.

Les états de Floquet (c’est-à-dire les états habillés de photons) sont largement invoqués pour expliquer les phénomènes quantiques liés à l’interaction cohérente entre le champ lumineux et la matière. Cependant, l’observation directe de ces états de Floquet représente un défi expérimental.

Par exemple, ce n’est que très récemment que les chercheurs ont rapporté des signatures expérimentales de bandes Floquet-Bloch dans le phosphore noir (un semi-conducteur modèle à bande étroite) interagissant avec des impulsions dans l’infrarouge moyen en utilisant une spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle complexe. Dans de telles études, les échantillons étaient presque exclusivement hébergés dans des environnements à basse température et à vide poussé, et les champs d’excitation étaient réglés sur les régions infrarouge, térahertz ou même micro-ondes pour éviter d’endommager les échantillons.

Dans une étude publiée dans Photonique de la natureLe professeur Wu Kaifeng et ses collègues de l’Institut de physique chimique de Dalian de l’Académie chinoise des sciences ont rapporté la première observation directe des états de Floquet dans les semi-conducteurs en utilisant la spectroscopie entièrement optique dans la région visible à proche infrarouge dans des conditions ambiantes.

Les chercheurs ont adopté les nanoplaquettes colloïdales quasi-bidimensionnelles développées au cours de la dernière décennie. Le confinement quantique puissant et atomiquement précis dans la dimension de l’épaisseur entraîne des transitions interbandes et intersous-bandes dans les régions visible et proche infrarouge, respectivement. Les niveaux impliqués dans ces transitions forment naturellement un système à trois niveaux.

Un photon visible à sous-bande interdite transforme un état de trou lourd (|hh1⟩) en un état de Floquet de même parité que le premier état électronique quantifié (|e1⟩), permettant à cet état de Floquet d’être sondé par un photon proche infrarouge à travers sa transition vers le deuxième état électronique quantifié (|e2⟩).

De plus, alors que l’on supposait souvent que les états de Floquet peuplés de manière transitoire disparaissaient en dehors du chevauchement temporel des impulsions de pompage et de sonde, les chercheurs ont directement observé le déphasage de l’état de Floquet en une population réelle de |e1⟩ en des centaines de femtosecondes. Toutes les observations expérimentales de cette étude sont corroborées par des simulations de mécanique quantique.

« Non seulement cette étude fournit une observation directe entièrement optique des états de Floquet dans les matériaux semi-conducteurs, mais elle révèle également la riche physique spectrale et dynamique des états de Floquet qui peut être exploitée pour contrôler dynamiquement les réponses optiques et l’évolution cohérente dans les systèmes de matière condensée », a déclaré le professeur Wu.

Étant donné que la démonstration actuelle est réalisée pour des matériaux colloïdaux dans des conditions ambiantes, elle élargira la portée de l’ingénierie Floquet, qui se concentre actuellement sur l’adaptation des propriétés quantiques et topologiques des matériaux à l’état solide, pour contrôler de manière cohérente les réactions chimiques de surface/interface grâce à un champ lumineux non résonant.