聲子雷射器：自呼吸共振器的相干振動

圖1.（a）半導體微腔中微結構阱的極化子BEC和聲子激射。（b）在低（下部曲線）和高（上部曲線）粒子密度下的BEC發射，顯示由聲子能量ℏω_a隔開的聲子邊帶。圖片來源：PDI和Balseiro研究所和CentroAtómico

雷射發射（具有確定的波長（顏色）和相位的準直光束）是自組織過程產生的，在此過程中，發射中心的集合使自己同步以產生相同的光粒子（光子）。類似的自組織同步現象也可能導致產生相干振動-聲子雷射器，其中聲子類似於光子表示聲音的量子粒子。

光子激射最早是在大約60年前被證明的，而恰巧是在阿爾伯特·愛因斯坦預測它的60年之後。這種刺激的放大光發射在多個領域中發現了前所未有的科學技術應用。

儘管幾乎同時預測了「聲音的雷射」的概念，但到目前為止，僅報導了很少的實現方式，而且還沒有達到技術成熟度。現在，來自Balseiro研究所和位於阿根廷Bariloche的CentroAtómico和位於柏林的Paul-Drude-Institut的研究人員之間的合作推出了一種新穎的方法，可以利用半導體結構有效地產生數十GHz範圍內的相干振動。有趣的是，這種產生相干聲子的方法是基於愛因斯坦的另一個預測：物質的第五態，是耦合的光物質粒子（極化子）的玻色-愛因斯坦凝聚物（BEC）。

極化子BEC是在半導體微腔的微結構阱中產生的，該微微阱由電子中心組成，這些電子中心夾在分布式布拉格反射器（DBR）之間，這些反射器設計為反射由中心發射的具有相同能量ωωC的光（請參見圖1a）。當被具有不同能量ℏωL的光束光學激發時，DBR對其透明，中心的電子態會發射出能量為emitωC的光粒子（光子），並在DBR處被反射。然後，光子再次被中心吸收。發射和重吸收事件的快速重複序列使得無法區分能量是以電子狀態還是光子狀態存儲。一個寧可說的是，狀態之間的混合會產生一個新的，輕物質粒子，稱為極化子。此外，在高粒子密度下（並由陷阱引起的空間定位幫助），極化子進入自組織狀態，類似於雷射中的光子，其中所有粒子同步發射具有相同能量和相位的光-極化子BEC雷射。極化子BEC的特徵標記是一條非常窄的光譜線，如圖1b中的藍色曲線所示，可以通過測量從微腔逸出的van逝輻射來檢測。

使用的微腔鏡（DBR）的另一個有趣特性是，它不僅可以反射特定波長範圍內的光學（光），還可以反射機械振動（聲音）。結果，用於近紅外光子的典型AlGaAs微腔也將振動量子化限制在聲子上，能量ℏωa對應於大約20 GHz的振蕩頻率ωa/ 2p。由於DBR的光子反射為極化子BEC的形成提供了所需的反饋，因此，聲子反射會導致聲子總數的增加以及與極化子BEC的聲子相互作用的增強。

極化子與聲子之間如何相互作用？作為輪胎中的空氣，高密度的極化子會在微腔鏡上施加壓力，該壓力會觸發並維持受限聲子頻率下的機械振蕩。這些呼吸振蕩會改變微腔尺寸，從而作用在極化子BEC上。正是這種耦合的光機械相互作用導致了在臨界極化子密度以上的聲音的相干發射。這種聲子的相干發射的指紋是在能量為emissionωL的雷射連續激發下BEC發射的自脈衝。這種自脈衝可以通過極化子BEC發射周圍強邊帶的出現來識別，該邊帶被聲子能量ℏωa的倍數所取代（參見圖1b中的紅色曲線）。

對圖1b中邊帶幅度的分析表明，成千上萬的單色聲子構成了最終的振動狀態，並作為20 GHz的相干聲子雷射束射向基板。該設計的基本特徵是內部高強度和單色光發射器（極化子 BEC）對聲子的刺激，它不僅可以像垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）一樣被光學激發而且可以被電激發。此外，可以通過適當修改微腔設計來獲得更高的聲子頻率。聲子雷射器的潛在應用 包括通信和量子信息設備中光束，量子發射器和柵極的相干控制，以及與未來網絡技術相關的非常寬的20-300 GHz頻率範圍內的光-微波雙向轉換。