Isang Phonon Laser – Mahusay na Pare-pareho na Pagbuo ng Vibration mula sa isang Self-Breathing Resonator

Larawan 1. (a) Polariton BEC at paglalagay ng phonon ng isang mikrostrukturang bitag sa isang micro-lukab ng semiconductor. (b) Sa ilalim ng mababang (mas mababang curve) at mataas (itaas na kurba) na mga density ng maliit na butil, ang paglabas ng BEC ay nagpapakita ng mga sidebands ng phonon na pinaghiwalay ng phonon na enerhiya ℏω_a. Mga Kredito: PDI at Instituto Balseiro at Centro Atómico

Lasing – pagpapalabas ng isang pinagsamang sinag ng ilaw na may mahusay na tinukoy na haba ng daluyong (kulay) at yugto – mga resulta mula sa isang proseso ng pagsasaayos ng sarili kung saan ang isang koleksyon ng mga emission center ay sinasabay ang sarili upang makabuo ng magkatulad na mga maliit na butil ng ilaw (mga photon). Ang isang katulad na nakaayos na kababalaghan na pag-synchronize na kababalaghan ay maaari ring humantong sa pagbuo ng magkatugma na mga panginginig – isang phonon laser kung saan nagpapahayag ang phonon ng mga dami ng tunog ng tunog, katulad ng mga photon.

Ang paglalagay ng photon lasering ay unang ipinakita mga 60 taon na ang nakakalipas at nagkataon, 60 taon matapos itong mahulaan ni Albert Einstein. Ang stimulated emission ng amplified light na ito ay natagpuan ang isang walang uliran bilang ng mga pang-agham at teknolohikal na aplikasyon sa maraming larangan.

Bagaman ang konsepto ng isang “audio laser” ay hinulaang halos sabay-sabay, iilan lamang sa mga aplikasyon ang naiulat sa ngayon, at wala namang umabot sa teknolohikal na kapanahunan. Ngayon, isang pakikipagtulungan sa pagitan ng mga mananaliksik mula sa Instituto Balseiro at Centro Atómico sa Bariloche (Argentina) at ang Paul-Drude-Institut sa Berlin (Alemanya) ay isang bagong pakikipagtulungan para sa mabisang pagbuo ng pare-parehong mga panginginig sa sampu-sampung saklaw ng GHz gamit ang mga istrukturang semiconductor nagdala ng isang diskarte. Kapansin-pansin, ang pamamaraang ito sa paggawa ng pare-parehong mga ponono ay batay sa isa pang hula ni Einstein: 5perlas estado ng bagay, isang Bose-Einstein condensate (BEC) ng mga light particle (polaritons) na pinagsama.

Ang Polariton BEC ay nilikha sa isang mikrostrukturang bitag sa isang semiconductor micro-cavity na binubuo ng mga electronic center na naka-sandwiched sa pagitan ng mga ipinamahaging Bragg mirror (DBRs) na idinisenyo upang maipakita ang ilaw ng parehong enerhiya ℏωc kumalat sa pamamagitan ng mga sentro (tingnan ang Larawan 1a). Kapag optiko na nasasabik sa pamamagitan ng isang ilaw na sinag ng iba’t ibang enerhiya ℏωLAng mga elektronikong estado ng mga sentro kung saan ang DBR ay transparent na naglalabas ng mga light particle (photon) sa enerhij na enerhiyacito ay makikita sa mga DBR. Ang mga photon pagkatapos ay reabsorbed ng mga sentro.

Ang mabilis at paulit-ulit na pagkakasunud-sunod ng mga kaganapan sa paglabas at reabsorption ay ginagawang imposibleng makilala kung ang enerhiya ay nakaimbak sa isang elektronikong estado o photonic. Sa halip, ang paghahalo sa pagitan ng mga estado ay sinasabing lumilikha ng isang bagong maliit na butil ng bagay na tinatawag na polariton.

Gayundin, sa ilalim ng mataas na density ng maliit na butil (at sa tulong ng lokalisasyon ng spatial na dulot ng bitag), ang mga polariton ay pumasok sa isang pansamantalang estado na katulad ng mga photon sa isang laser, kung saan ang lahat ng mga particle ay nagsasabay upang maglabas ng ilaw sa parehong enerhiya at yugto – isang polaritone BEC laser. Ang katangian na lagda ng Polariton BEC ay isang napaka-makitid na linya ng parang multo na kinakatawan ng asul na kurba sa Larawan 1b, na maaaring makita sa pamamagitan ng pagsukat ng nakakaiwas na radiation na nakatakas sa micro-lukab.

Ang isa pang kagiliw-giliw na pag-aari ng mga micro-cavity mirror (DBRs) na ginamit ay ang kanilang kakayahang sumalamin hindi lamang ng optikal (ilaw) kundi pati na rin ang mga pang-mechanical na panginginig (tunog) sa loob ng isang naibigay na saklaw ng mga haba ng daluyong. Bilang isang resulta, isang tipikal na AlGaAs microspace para sa mga malapit na infrared na mga photon ay naglilimita rin sa dami ng mga panginginig ng tunog – mga phonon – na may enerhiya.a naaayon sa dalas ng oscillation ωa/ 2Pi tungkol sa 20 GHz. Dahil ang pagsasalamin ng photon ng mga DBR ay nagbibigay ng kinakailangang puna para sa pagbuo ng isang polaritone BEC, ang pagsasalamin ng phonon ay humahantong sa isang pagtaas sa populasyon ng ponono at isang pagtaas ng pakikipag-ugnay ng ponono sa polaritone BEC.

Paano nangyayari ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng polaritons at phonons? Tulad ng hangin sa isang gulong, ang mga siksik na polariton na may mataas na density ay nagbibigay ng presyon sa mga salamin ng micro-cavity na maaaring magpalitaw at makapanatili ng mga mekanikal na osilosasyon sa dalas ng mga limitadong phonon. Ang mga oscillation sa paghinga na ito ay nagbabago ng mga sukat ng micro-cavity upang ang polaritone ay kumilos pabalik sa BEC. Ito ang naka-link na pakikipag-ugnay na optomekanikal na sanhi ng pare-pareho ang paglabas ng tunog sa itaas ng isang kritikal na density ng polariton. Ang fingerprint ng magkakaugnay na paglabas ng phonon na ito ay ang pagpapaalis sa sarili ng paglabas ng BEC sa ilalim ng tuluy-tuloy na paggulo ng isang laser na may lakas.L. Ang self-pulse na ito ay tinukoy ng paglitaw ng mga malalakas na sidebands sa paligid ng paglabas ng polariton BEC na napalitan ng maraming mga lakas ng ponono.a (Ihambing sa pulang kurba sa Larawan 1b).

Ang pagsusuri ng amplitude ng mga sidebands sa Figure 1b ay nagpapakita na daan-daang libo ng mga monochromatic phonon ang pumupuno sa nagresultang estado ng panginginig at palaganapin patungo sa substrate bilang isang 20 GHz coherent phonon laser beam. Ang isang mahalagang tampok ng disenyo ay ang paggulo ng mga phonon ng isang panloob na high-intensity at monochromatic light emitter – ang polaritone BEC – na maaaring nasasabik hindi lamang sa optiko ngunit sa electrically din, tulad ng sa isang Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Gayundin, ang mga mas mataas na frequency ng phonon ay maaaring makamit sa naaangkop na mga pagbabago ng disenyo ng micro-cavity. Ang mga potensyal na aplikasyon ng laser ng phonon ay may kasamang pare-pareho na kontrol ng mga light beam, mga kwantum emitter, at mga pintuan sa mga komunikasyon at mga aparato ng impormasyong kabuuan, pati na rin ang pag-convert ng bidirectional mula sa ilaw hanggang sa microwave sa napakalawak na saklaw ng dalas na 20-300 GHz na angkop para sa hinaharap na networking. mga teknolohiya.

Sanggunian: “Polariton-driven phonon laser” ni DL Chafatinos, AS Kuznetsov, S. Anguiano, AE Bruchhausen, AA Reynoso, K. Biermann, PV Santos at A. Fainstein, 11 Setyembre 2020, Komunikasyon sa Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41467-020-18358-z

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mga bloke ng dami ng gusali para sa mga kakaibang elektronikong katangian ng magnetiko at magnetiko

Ang mga metal ng paglipat ay naka-crosslink sa graphene ng isang form ng electron beam na nangangako ng mga bloke ng kabuuan ng gusali....

Global Warming Threatens Food Chains – “Ang Epekto ay Maaaring Maging Mahusay”

Sinuri ng pag-aaral ang plankton sa mga lawa ng tubig-tabang na nahantad sa pitong taon ng pang-eksperimentong init. Kredito: University of Exeter Ang pagtaas...

Pagbotelya ng Pinakalamig na Plasma sa Daigdig upang Ipakita ang mga Lihim ng Lakas ng Fusion

Ang mag-aaral na nagtapos sa Rice University na si Grant Gorman ay nagtatrabaho sa Rice's Ultracold Atoms at Plasmas Lab. Larawan: Jeff Fitlow...

Pakiramdam ng Paglahok sa Susi sa Pagsulong

Ang mga mag-aaral ng high school ay lalo na na uudyok sa loob ng paaralan kung sa palagay nila kabilang sila sa kanilang paaralan. Maaaring...

Ang mga mananaliksik ay nagkakaroon ng mas mabilis na pagtatasa ng network upang mapahusay ang mga referral algorithm at mga paghahanap sa web

Ang mga mananaliksik ng MIT ay bumuo ng software upang mas mahusay na patakbuhin ang mga aplikasyon ng grapiko sa isang saklaw ng hardware...

Newsletter

Subscribe to stay updated.