来自自呼吸谐振器的声子激光 - 高效产生相干振动

POLATITON BEC和Phonon Lasing

图1.(a)在半导体微腔中的微结构疏水阀的Polariton BEC和声子激光。(b)如低(较低曲线)和高(上曲线)颗粒密度的发射,显示由声调能量ℏω_a分开的声子边带。信用:PDI和Instituto Balseiro和CentroAtómico

激光 - 利用明确鉴定的波长(颜色)和相位 - 来自自组织过程的准直光束的发射,其中排放中心的集合使自身同步以产生相同的光颗粒(光子)。类似的自组织同步现象也可以导致相干振动的产生 - 声子激光器,其中声子表示,与光子相比,声音量子颗粒。

Photon Lasing首先在大约60年前演示,并巧合,60年后,艾伯特爱因斯坦预测。这种被刺激的放大光发射在多个中发现了前所未有的科学和技术应用数量

虽然几乎预测了“声音激光”的概念,但到目前为止只有几种实现,也没有达到技术成熟。现在,来自柏林(阿根廷)和Paul-Drude-Institut的Instituto Balseiro和CentroAtómico的研究人员之间的合作介绍了使用半导体结构在数十的GHz范围内有效地产生的新方法。有趣的是,这种相干声子的这种方法基于另一个爱因斯坦的预测:5TH.物质状态,耦合磷光物颗粒的Bose-Einstein冷凝物(BEC)(BEC)。

Polariton BEC在由夹在分布式布拉格反射器(DBRS)之间的电子中心组成的半导体微腔的微结构化陷阱中,设计用于反映相同能量的光ℏωC由中心发出(参见图1A)。当通过具有不同能量的光束光学激发时ℏΩL.,DBR是透明的,该中心的电子状态在能量下发光颗粒(光子)ℏΩC,它反映在DBR时。然后将光子再次被中心重新吸收。

快速和重复的发射和重吸收事件序列使得不可能区分能量是否存储在电子或光子状态。一个宁愿说,各州之间的混合会产生一个名为Polariton的新的淡品粒子。

此外,在高粒子密度(并通过陷阱引起的空间定位而有所帮助),极化子进入类似于激光器中的光子的自组织状态,所有粒子都同步以发出具有相同能量和相位的光 - aPolariton BEC激光。Polariton BEC的特征特征是由图1B中的蓝色曲线示出的非常窄的光谱线,可以通过测量从微腔逸出的渐逝辐射来检测。

使用的微腔镜(DBR)的进一步有趣的性质是不仅反射光学(光)而且在特定波长范围内的机械振动(声音)的能力。因此,近红外线中的光子的典型Algaas微腔也限制了振动 - 声子的量子 - 通过ωΩ一个对应于振荡频率ω一个/ 2pi约为20 GHz。由于DBRS的光子反射提供了用于形成Polariton BEC的所需反馈,因此声子反射导致声子群的积累以及与Polariton BEC的声子相互作用的增强。

POLATITONS与声子之间的互动如何发生?作为轮胎中的空气,高密度的稠合的极性子对微腔反射镜施加压力,这可以在限制声子的频率下触发和维持机械振荡。这些呼吸振荡修改了微腔尺寸,从而取回了极谱尺寸。这是这种耦合的光学机械相互作用,其引起了高于临界极性密度的声音的相干发射。这种相干排放的声子的指纹是通过具有能量ω的激光连续激发的BEC发射的自脉冲。L.。通过围绕Polarone Energy的倍数位移的波强体围绕Polariton BEC发射出现来识别这种自脉脉冲。一个(参见图1B中的红色曲线)。

图1B中的边带的幅度分析。图1B示出了数十万个单色声子填充所得到的振动状态,并且朝向基板发射作为20GHz相干声子激光束。设计的基本特征是通过内部高强度和单色光发射器对声子刺激 - Polariton BEC - 这可以不仅可以光学而且也是电动的,如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。此外,通过对微腔设计的适当修改,可以实现更高的声子频率。声子激光器的潜在应用包括通信和量子信息设备中的光束,量子发射器和栅极的相干控制,以及在对未来网络相关的非常宽的20-300GHz频率范围内的光到微波双向转换技术。

参考:“ParitIton-Driven Phonon Laser”,D. L.Chafatinos,A.S.Kuchnetsov,S.Anguchhausen,A.A.Reynoso,K.Biermann,P.V.Santos和A. Fainstein,2020年9月11日。自然通信
DOI:10.1038 / s41467-020-18358-z

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