En fononlaser:Kohærente vibrationer fra en selvåndende resonator

Lasing – emissionen af ​​en kollimeret lysstråle med en veldefineret bølgelængde (farve) og fase – er resultatet af en selvorganiseringsproces, hvor en samling af emissionscentre synkroniserer sig selv for at producere identiske lyspartikler (fotoner). Et lignende selvorganiseret synkroniseringsfænomen kan også føre til generering af kohærente vibrationer - en fononlaser, hvor fonon angiver, i analogi med fotoner, lydens kvantepartikler.

Fotonlasering blev første gang demonstreret for cirka 60 år siden, og tilfældigvis, 60 år efter dens forudsigelse af Albert Einstein. Denne stimulerede emission af forstærket lys fandt et hidtil uset antal videnskabelige og teknologiske anvendelser på flere områder.

Selvom konceptet med en "lydlaser" blev forudsagt næsten på samme tid, kun få implementeringer er indtil videre blevet rapporteret, og ingen har opnået teknologisk modenhed. Nu, et samarbejde mellem forskere fra Instituto Balseiro og Centro Atómico i Bariloche (Argentina) og Paul-Drude-Institut i Berlin har introduceret en ny tilgang til effektiv generering af kohærente vibrationer i snesevis af GHz-området ved hjælp af halvlederstrukturer. Interessant nok, denne tilgang til generering af kohærente fononer er baseret på en anden af ​​Einsteins forudsigelser:den om materiens 5. tilstand, et Bose-Einstein-kondensat (BEC) af koblede let-stof-partikler (polaritoner).

Polariton BEC er skabt i en mikrostruktureret fælde af et halvledermikrohulrum bestående af elektroniske centre, der er klemt ind imellem distribuerede Bragg-reflektorer (DBR'er) designet til at reflektere lys med samme energi ℏωC udsendt af centrene (jf. fig. 1a). Når optisk exciteret af en lysstråle med en anden energi ℏωL, hvor DBR er gennemsigtig, centrenes elektroniske tilstande udsender lyspartikler (fotoner) ved energien ℏωC, som er tilbagereflekteret ved DBR'erne. Fotonerne bliver så igen reabsorberet af centrene. Den hurtige og gentagne sekvens af emissions- og reabsorptionshændelser gør det umuligt at skelne mellem, om energien er lagret i en elektronisk eller fotonisk tilstand. Man siger snarere, at sammenblandingen mellem staterne skaber en ny, let stof partikel, kaldet polariton. Desuden, under en høj partikeltæthed (og hjulpet af den rumlige lokalisering induceret af fælden), polaritonerne går ind i en selvorganiseret tilstand svarende til fotoner i en laser, hvor alle partikler synkroniseres for at udsende lys med samme energi og fase - en polariton BEC laser. Den karakteristiske signatur af polariton BEC er en meget smal spektral linje illustreret af den blå kurve i fig. 1b, som kan detekteres ved at måle den forsvindende stråling, der slipper ud fra mikrohulrummet.

En yderligere interessant egenskab ved de brugte mikrohulrumsspejle (DBR'er) er evnen til at reflektere ikke kun optiske (lys), men også mekaniske vibrationer (lyd) inden for et specifikt område af bølgelængder. Som en konsekvens, et typisk AlGaAs-mikrohulrum for fotoner i det nær-infrarøde begrænser også kvanta af vibrationer - fononer - med energien ℏωa svarende til oscillationsfrekvensen ωa/2p på cirka 20 GHz. Da fotonreflektionen fra DBR'erne giver den nødvendige feedback til dannelsen af ​​en polariton BEC, fononrefleksion fører til en opbygning af fononpopulationen såvel som en forbedring af fononinteraktionen med polariton BEC.

Hvordan opstår interaktionen mellem polaritoner og fononer? Som luft i et dæk, en høj tæthed af kondenserede polaritoner udøver et tryk på mikrokavitetsspejlene, som kan udløse og opretholde mekaniske svingninger ved frekvensen af ​​de indesluttede fononer. Disse vejrtrækningsoscillationer ændrer mikrohulrummets dimensioner, dermed agerer tilbage på polariton BEC. Det er denne koblede optomekaniske interaktion, der giver anledning til den sammenhængende udsendelse af lyd over en kritisk polaritontæthed. Et fingeraftryk af denne sammenhængende emission af fononer er selvpulseringen af ​​BEC-emissionen under kontinuerlig excitation af en laser med energien ℏωL. Denne selvpulserende er identificeret ved fremkomsten af ​​stærke sidebånd omkring polariton BEC-emissionen forskudt af multiplerne af fononenergien ℏωa (jf. den røde kurve i fig. 1b).

Analyse af amplituden af ​​sidebåndene i fig. 1b viser, at hundredtusindvis af monokromatiske fononer befolker den resulterende vibrationstilstand og udsendes mod substratet som en 20 GHz kohærent fononlaserstråle. Et væsentligt træk ved designet er stimuleringen af ​​fononerne af en intern meget intens og monokromatisk lysudsender - polariton BEC - som kan exciteres ikke kun optisk, men også elektrisk, som i en Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Desuden, højere phonon-frekvenser kan opnås ved passende modifikationer af mikrokavitetsdesignet. Potentielle anvendelser af fononlaseren inkluderer sammenhængende styring af lysstråler, kvanteemittere, og porte i kommunikations- og kvanteinformationsenheder, samt lys-til-mikrobølge tovejskonvertering i et meget bredt 20-300 GHz frekvensområde, der er relevant for fremtidige netværksteknologier.