声子激光器–通过自呼吸谐振器有效产生相干振动

图1。（a）半导体微腔中微结构阱的极化子BEC和声子激射。（b）在低（下部曲线）和高（上部曲线）粒子密度下的BEC发射，显示了由声子能量on_a隔开的声子边带。ω

激光发射是具有自定义的波长（颜色）和相位的准直光束的发射，这是由自组织过程引起的，在该过程中，发射中心的集合使自身同步以产生相同的光粒子（光子）。类似的自组织同步现象也可能导致产生相干振动-声子激光器，其中声子类似于光子表示声音的量子粒子。

光子激射最早是在大约60年前被证明的，而恰巧是在阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）预测它的60年之后。这种刺激的放大光发射在多个领域中发现了前所未有的科学技术应用

尽管几乎同时预测了“声音激光”的概念，但到目前为止，仅报告了少数几种实现方式，而没有一种实现了技术上的成熟。现在，来自Balseiro研究所和位于巴里洛切（阿根廷）的CentroAtómico和位于柏林（德国）的Paul-Drude-Institut的研究人员之间的合作推出了一种新颖的方法，可以使用半导体结构有效地产生数十GHz范围内的相干振动。有趣的是，这种产生相干声子的方法是基于爱因斯坦的另一种预测：物质的第五态，是耦合的光物质粒子（极化子）的玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）。

极化子BEC是在半导体微腔的微结构陷阱中产生的，该微微陷阱由电子中心构成，这些电子中心夹在分布式布拉格反射器（DBR）之间，这些反射器设计为反射中心所发ω射的相同能量的光（请参见图1a）。当被具有不同能量ℏL的光束光学激发时，ω对于DBR而言，DBR是透明的，中心的电子态以能量ℏc发射光粒子（光子），这些ω粒子在DBR处被反射。然后，光子再次被中心吸收。

发射和重吸收事件的快速重复序列使得无法区分能量是以电子状态还是光子状态存储。一个宁可说的是，状态之间的混合会产生一个新的，轻质的粒子，称为极化子。

此外，在高粒子密度下（并由陷阱引起的空间定位帮助），极化子进入自组织状态，类似于激光中的光子，其中所有粒子同步发射具有相同能量和相位的光–极化BEC激光器。极化子BEC的特征标记是一条非常窄的光谱线，如图1b中的蓝色曲线所示，可以通过测量从微腔逸出的e逝辐射来检测。

使用的微腔镜（DBR）的另一个有趣特性是，它不仅能够反射特定波长范围内的光学（光），而且还能反射机械振动（声音）。结果，典型的用于近红外光子的AlGaAs微腔还限制了振动的量子（声子），能量ℏ对应于大ω约20 GHz的振荡ω频率a / 2Pi。由于DBR的光子反射为极化子BEC的形成提供了所需的反馈，因此声子反射会导致声子总数的增加以及与极化子BEC的声子相互作用的增强。

极化子与声子之间的相互作用如何发生？作为轮胎中的空气，高密度的极化子会在微腔镜上施加压力，这会触发并维持以有限声子频率发生的机械振荡。这些呼吸振荡会改变微腔尺寸，从而作用在极化子BEC上。正是这种耦合的光机械相互作用导致了在临界极化子密度以上的声音的相干发射。这种声子的相干发射的指纹是在能量为ℏL的激光连续激发下BEC发射的自脉冲。ω这种自脉冲可以通过极化子BEC发射周围强边带的出现来识别，该边带被声子能量ℏa的倍数所取代（ω参见图1b中的红色曲线）。

对图1b中边带幅度的分析表明，成千上万的单色声子填充了最终的振动状态，并以20 GHz相干声子激光束的形式向基板发射。该设计的基本特征是内部高强度单色光发射器-极化子BEC对声子的刺激，该光子不仅可以通过光学方式而且可以通过电方式被激发，例如在垂直腔表面发射激光器（VCSEL）中。此外，通过适当修改微腔设计可以实现更高的声子频率。声子激光器的潜在应用包括对通信和量子信息设备中的光束，量子发射器和栅极进行相干控制，以及在非常宽的20-300 GHz频率范围内与未来网络相关的光-微波双向转换技术。

参考：D. L. Chafatinos，A。S. Kuznetsov，S。Anguiano，A。E. Bruchhausen，A。A. Reynoso，K。Biermann，P.V。Santos和A. Fainstein的“极化运动驱动的声子激光器”，2020年9月11日，自然通信。DOI：
10.1038 / s41467-020-18358-z