Fononilaser

Polaritoni-toimisen fononilaserin periaatteet: (a) Polariton BEC:n ja mikrorakenteisen ansan fononilasing puolijohteen mikro-ontelossa. (b) Polaritoni BEC:n tunnusmerkki on hyvin kapea spektriviiva, jota sininen käyrä havainnollistaa.

Suurempi kuva

Fotonilasing osoitettiin ensimmäisen kerran noin 60 vuotta sitten ja sattumalta 60 vuotta sen jälkeen, kun Albert Einstein oli ennustanut sen.

Vaikka äänilaserin käsite ennustettiin melkein samaan aikaan, toistaiseksi vain harvoista toteutuksista on raportoitu eikä yksikään ole saavuttanut teknistä kypsyyttä.

Tutkijat Instituto Balseiro and Centro Atómico in Barilochesta (Argentiina) ja Paul-Drude-Institutesta (Saksa) ovat nyt esittäneet uudenlaisen lähestymistavan yhtenäisten värähtelyjen tehokkaaseen tuottamiseen kymmenien gigahertsien alueella käyttämällä puolijohderakenteita.

Mielenkiintoista on, että tämä lähestymistapa koherenttien fononien muodostamiseen perustuu toiseen Einsteinin ennustukseen: aineen viidennen tilan Bose-Einstein-kondensaattiin (BEC) kytketyistä valo-aine hiukkasista (polaritonit).

Tutkijoiden laserin tapainen fononiemissio tapahtuu hybridijärjestelmässä, joka optomekaanisesti kytkee polaritoni Bose-Einstein -kondensaatit (BEC) fononien kanssa puolijohteen mikrokaviteetissa. Järjestelmä koostuu GaAs/AlAs-kvanttikaivoista, jotka on kytketty kaviteettiin rajoittuneisiin optisiin ja värähteleviin muotoihin.

Polaritonien ja fononien välinen vuorovaikutus tapahtuu kun tiivistyneiden polaritonien suuri tiheys aiheuttaa mekaanisen paineen mikrotaajuuspeileihin, mikä voi laukaista ja ylläpitää mekaanista värähtelyä rajattujen fononien taajuudella.

Nämä värähtelyt muuttavat mikrokaviteetin mittoja ja vaikuttavat siten takaisin polaritoni BEC:ään. Näin kytketty optomekaaninen vuorovaikutus saa aikaan koherentin ääniemission ylikriittisellä polaritonitiheydellä. Todiste fononien koherentista emissioista on BEC-emssion itsesykkivyys jatkuvien laserherätteiden alla.

Kuvan (b) sivukaistojen amplitudien analyysit osoittavat, että sadat tuhannet monokromaattiset fononit täyttävät tuloksena olevan värähtelytilan ja emittoituvat kohti substraattia 20 gigahertsin koherenttina fononisäteenä.

Suunnittelun olennainen piirre on fononien stimulaatio sisäisellä erittäin voimakkaalla ja monokromaattisella valoemitterillä - polaritoni BEC -, jota voidaan virittää paitsi optisesti myös sähköisesti, kuten VCSEL-laseria. Lisäksi korkeammat fononitaajuudet voidaan saavuttaa muuttamalla mikrokaviteettirakennetta.

Fononilaserin mahdollisiin sovelluksiin kuuluvat valonsäteiden, kvanttisäteilijöiden ja porttien koherentti hallinta viestintä- ja kvantti-informaation laitteissa, samoin kuin valo-mikroaallon kaksisuuntainen muunnos hyvin laajalla 20-300 gigahertsin taajuusalueella, mikä on merkityksellistä tuleville verkkoteknologioille.

Tutkimusjulkaisu: Polariton-driven phonon laser

Aiheesta aiemmin: Fononeja suunnaten ja laseroiden