لیزر فونون: ارتعاشات منسجم حاصل از تشدید کننده تنفس خود

لیزینگ - انتشار یک پرتوی نوری جمع شده از نور با یک طول موج (رنگ) و فاز کاملاً مشخص - نتیجه یک فرایند خودسازمان سازی است ، که در آن مجموعه ای از مراکز انتشار خود را همزمان تولید ذرات نور یکسان (فوتون) می کند. یک پدیده همزمان سازی خود سازمان یافته مشابه همچنین می تواند منجر به تولید ارتعاشات منسجم شود - لیزر فونون ، جایی که فونون به طور مشابه فوتون ها ، ذرات کوانتوم صدا را نشان می دهد.

لیزر فوتون برای اولین بار تقریباً 60 سال پیش و به طور تصادفی ، 60 سال پس از پیش بینی آن توسط آلبرت انیشتین نشان داده شد. این تابش تحریک شده از نور تقویت شده تعداد بی سابقه ای از کاربردهای علمی و فناوری را در چندین زمینه یافت.

اگرچه مفهوم "لیزر صدا" تقریباً همزمان پیش بینی شده بود ، اما تاکنون فقط تعداد کمی از اجرای آن گزارش شده است و هیچ یک از آنها به بلوغ فناوری نرسیده اند. اکنون ، همکاری بین محققان Instituto Balseiro و Centro Atómico در Bariloche (آرژانتین) و Paul-Drude-Institut در برلین رویکرد جدیدی را برای تولید کارآمد ارتعاشات منسجم در محدوده دهها گیگاهرتز با استفاده از ساختارهای نیمه رسانا ارائه داده است. جالب است بدانید که این رویکرد برای تولید تلفنهای منسجم بر اساس پیش بینی دیگری از انیشتین است: وضعیت 5 ماده ، میعانات بوز-انیشتین (BEC) از ذرات ماده نور (پولاریتونها) همراه.

پلاریتون BEC در یک تله ریز ساختار یک ریزحفره نیمه هادی متشکل از مراکز الکترونیکی قرار گرفته است که بین بازتابنده های توزیع شده Bragg (DBR) قرار گرفته اند و برای انعکاس نور همان انرژی ℏωC ساطع شده از مراکز طراحی شده اند (شکل 1a). هنگامی که توسط یک پرتو نوری با انرژی متفاوت ℏωL ، که DBR برای آن شفاف است ، تحریک نوری می شود ، حالات الکترونیکی مراکز در انرژی ℏωC ذرات نوری (فوتون) منتشر می کنند ، که در DBR بازتاب می شوند. سپس فوتون ها دوباره توسط مراکز جذب می شوند. توالی سریع و تکرار شونده انتشار و بازجذب ، تشخیص اینکه انرژی در حالت الکترونیکی یا فوتونیک ذخیره شده است غیر ممکن است. یکی بیشتر می گوید که مخلوط شدن بین حالت ها ذره ای جدید ، از ماده سبک ایجاد می کند ، به نام پلاریتون. بعلاوه ، تحت تراکم ذرات زیاد (و با کمک مکان یابی مکانی ناشی از تله) ، پلاریتونها به حالت خود سازمان یافته ای مشابه فوتون های لیزر وارد می شوند ، جایی که همه ذرات همزمان می شوند تا نور را با همان انرژی و فاز منتشر کنند - a لیزر polariton BEC. امضای مشخص پلاریتون BEC یک خط طیفی بسیار باریک است که توسط منحنی آبی در شکل 1b نشان داده شده است ، که با اندازه گیری تابش فرسایشی فرار از ریزحفره قابل تشخیص است.

یکی دیگر از ویژگی های جالب توجه آینه های میکروحفره ای مورد استفاده (DBRs) توانایی انعکاس نه تنها نوری (نور) بلکه ارتعاشات مکانیکی (صدا) در محدوده خاصی از طول موج ها است. در نتیجه ، یک ریزحفره AlGaAs معمولی برای فوتون ها در مادون قرمز نزدیک ، کوانتاهای ارتعاشات - فونون ها - را با انرژی ℏωa مربوط به فرکانس نوسان ωa / 2p تقریباً 20 گیگاهرتز محدود می کند. از آنجا که بازتاب فوتون توسط DBR ها بازخورد لازم برای تشکیل یک پلاریتون BEC را فراهم می کند ، بازتاب فونون منجر به تجمع جمعیت فونون و همچنین افزایش تعامل فونون با پلاریتون BEC می شود.

تعامل بین قطب های مختلف و تلفنها چگونه رخ می دهد؟ همانطور که هوا در یک لاستیک قرار دارد ، تراکم بالای پلاریتونهای متراکم بر آینه های ریزحفره فشار وارد می کند ، که می تواند نوسانات مکانیکی را در فرکانس تلفن های محدود شده تحریک و حفظ کند. این نوسانات تنفسی ابعاد ریزحفره را اصلاح می کند ، بنابراین بر روی پلاریتون BEC عمل می کند. این کنش متقابل مکانیکی است که منجر به انتشار منسجم صدا در بالای تراکم قطبی قطبی می شود. اثر انگشت این انتشار منسجم فونون ها ، خود تپشی انتشار BEC تحت تحریک مداوم توسط لیزر با انرژی ℏωL است. این خودارزشی با ظهور نوارهای جانبی قوی در اطراف انتشار قطبی BEC که توسط چندین برابر انرژی phonon onωa جابجا شده اند ، مشخص می شود (به منحنی قرمز در شکل 1b نگاه کنید).

تجزیه و تحلیل دامنه نوارهای کناری در شکل 1b نشان می دهد که صدها هزار تلفن فونون تک رنگ حالت ارتعاشی حاصل را جمع می کنند و به عنوان یک پرتو لیزر فونون منسجم 20 گیگاهرتزی به سمت بستر ساطع می شوند. یکی از ویژگی های اساسی طراحی تحریک فونون ها توسط یک نور ساطع کننده داخلی بسیار شدید و تک رنگ است - قطبش BEC - که می تواند نه تنها از نظر نوری بلکه از نظر الکتریکی نیز هیجان زده شود ، مانند لیزر ساطع کننده سطح حفره عمودی (VCSEL). علاوه بر این ، با اصلاحات مناسب در طراحی ریزحفره می توان فرکانس های بالاتر فونون را بدست آورد. برنامه های بالقوه لیزر فونون شامل کنترل منسجم پرتوهای نور ، گسیل کننده های کوانتومی و دروازه ها در دستگاه های ارتباطی و اطلاعات کوانتومی و همچنین تبدیل دو جهته نور به مایکروویو در یک دامنه فرکانسی بسیار گسترده 20-300 گیگاهرتز مربوط به شبکه آینده است. فن آوری ها