فونون‌ها می توانند در ایجاد حالت برانگیزش محدود یا وارونگی جمعیت در یک نقطه‌ی کوانتومی منفرد، مؤثر باشند؛ اثری که می‌تواند برای تشخیص منابع فوتون منفرد مورد استفاده قرار گیرد.

وارونگی جمعیت از یک حالت پایه به یک حالت برانگیخته معمولاً متکی بر سایر سطوح انرژی الکترونیکی است (شکل سمت چپ). اما در یک سیستم نقطه ای کوانتومی دو سطحی جفت شدگی فونون ها و برانگیزان ها این حالت را می تواند ایجاد کند.

در شاخه‌ی اتمی یا مولکولی وارونگی جمعیت (population inversion) حالتی است که در آن تعداد ذرات در یک حالت برانگیخته بیشتر از تعداد ذرات در حالت با انرژی پایین‌تر هستند. و به طور کلی ساختارهای چند سطحی برای خلق چنین حالتی مورد نیازند. اما اکنون پژوهشگرانی از دانشگاه شفیلد انگلستان به روشی جایگزینی دست یافته‌اند که از ارتعاشات شبکه‌ی کریستالی یا فونون‌ها بهره می‌گیرد و وارونگی جمعیت را در یک نقطه‌ی کوانتومی دو سطحی به واسطه‌ی برانگیزش سطوح انرژی فونون‌ها تا اندازه‌ای که بتوانند با حالت‌های الکترونیکی نقطه‌ای جفت شوند، ایجاد کرده‌اند. نتیجه‌ی این روش جدید به واسطه‌ی تشخیص منابع نوری با برانگیزان منفرد می‌تواند در علم اطلاعات کوانتومی کاربرد داشته باشد.

یک سیستم دو سطحی یک حالت پایه و یک حالت برانگیخته دارد. به طور معمول بر مبنای اصول ترمودینامیک حالت پایه پرجمعیت‌تر است. انتقال از حالت پایه به حالت برانگیخته می‌تواند با استفاده از نور صورت گیرد که انرژی آن برابر اختلاف انرژی بین سطوح است. البته این نور می‌تواند سبب شود که سیستم با انتشار فوتون به حالت پایه نیز برگردد. با یک لیزر پالسی می‌توان وارونگی جمعیت ایجاد کرد اما برای انجام آن باید از سیستم‌های چند سطحی استفاده کرد.

روش‌های جایگزینی نیز وجود دارد که این وارونگی را در یک سیستم دو سطحی پدید می‌آورند. به طور کلی چنین روش‌هایی متکی بر کوپل سیستم به یک سیستم کمکی دیگر است تا سطوح اضافی از دست رفته را ایجاد کند. در این پژوهش از نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا استفاده شده است که طی آن فونون‌ها سیستم کمکی را ایجاد می‌کنند.

نقاط کوانتومی حالت برانگیخته ی مناسبی دارند که با تشکیل یک جفت الکترون-حفره (برانگیزان) توصیف می‌شود. یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد این نقاط، کوپل شدن برانگیزان‌ها با فونون‌های آکوستیک طولی است. در اینجا پژوهشگران از نقطه‌ی کوانتومی منفرد InGaAs/GaAs که در یک شبکه‌ی کریستالی تعبیه شده است، استفاده کرده‌اند و در آن ارتعاشات آکوستیکی با برانگیزش‌های الکترونیکی برهمکنش می‌کنند که در نتیجه یک سیستم برانگیزان دو سطحی با کوپل شدن به سطوح فونون‌ها حاصل می‌شود.

آن‌ها جمعیت برانگیزان‌ها را با استفاده از جریان الکتریکی ایجاد شده توسط جفت‌های الکترون-حفره اندازه‌گیری کرده‌اند. و دریافته‌اند که حالت برانگیخته با افزایش قدرت پالس حاکم می‌شود. و این یعنی وارونگی جمعیت قابل حصول است.

در اینجا یک فوتون، یک سطح انرژی را در باند فونون-برانگیزان برانگیخته می‌کند و انرژی جذب شده عاقبت یک برانگیزان و یک فونون ایجاد می‌کند. و در فرایند واهلش نیز نقطه‌‌ی کوانتومی یک فونون را جذب می‌کند و باعث بازترکیب الکترون و حفره شده و یک فوتون گسیل می‌شود.

در آینده نقاط کوانتومی منفرد می‌توانند برای تولید فوتون‌های منفرد یا جفت فوتون‌های درهم‌تنیده مورد استفاده قرار گیرد که می‌تواند در رمزنگاری کوانتومی و سایر برنامه‌های کاربردی پردازش اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد.

منبع: Crystal Vibrations Invert Quantum Dot Exciton

مرجع: link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.114.137401