作者:Forschungsverbund Berlin
V
(FVB) 图1
半导体微腔中微结构陷阱的偏振BEC和声子激射
(b)在低(下曲线)和高(上曲线)粒子密度下的BEC发射，显示被声子能量ℏω_a分开的声子边带
信贷:PDI和巴尔塞罗研究所和阿特米科中心 激光发射——发射具有明确波长(颜色)和相位的准直光束——是自组织过程的结果，在自组织过程中，发射中心的集合同步产生相同的光粒子(光子)
类似的自组织同步现象也可以导致相干振动的产生——声子激光，其中声子类似于光子，表示声音的量子粒子
光子激光大约在60年前首次被证明，巧合的是，在阿尔伯特·爱因斯坦预言60年后
这种放大光的受激发射在多个领域发现了前所未有的科技应用
虽然“声音的激光”的概念几乎是在同一时间被预测出来的，但是迄今为止只有很少的实现被报道，并且没有一个实现达到技术成熟
现在，来自巴里洛切(阿根廷)的巴尔塞罗研究所和阿特密科中心以及柏林的保罗-德鲁德研究所的研究人员之间的合作已经引入了一种新的方法，利用半导体结构在几十千兆赫范围内有效地产生相干振动
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个预测:物质的第五态，一个耦合的光-物质粒子(极化子)的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)
极化子BEC在半导体微腔的微结构阱中产生，该半导体微腔由夹在分布式d布拉格反射器(DBRs)之间的电子中心组成，该反射器被设计成反射由中心(cf
无花果
1a)
当被具有不同能量ℏωL的光束光学激发时，DBR是透明的，中心的电子态发射能量ℏωC的光粒子(光子),这些光粒子在DBR被反向反射
光子然后再次被中心重新吸收
发射和再吸收事件的快速和重复序列使得不可能区分能量是以电子态还是光子态存储
一种说法是，两种状态之间的混合产生了一种新的轻物质粒子，叫做旋光性粒子
此外，在高粒子密度下(并借助陷阱诱导的空间定位)，极化子进入类似于激光器中光子的自组织状态，其中所有粒子同步发射具有相同能量和相位的光——极化子BEC激光器
北极星BEC的特征是一条非常窄的谱线，如图1中的蓝色曲线所示
1b，这可以通过测量从微腔逸出的倏逝辐射来检测
所使用的微腔镜的另一个有趣的特性是不仅能够反射光(光)，而且能够反射特定波长范围内的机械振动(声音)
因此，典型的用于近红外光子的AlGaAs微腔也限制了振动量子——声子——其能量ℏωa对应于大约20 GHz的振荡频率ωa/2p
由于DBRs的光子反射为极化子BEC的形成提供了所需的反馈，声子反射导致声子总数的增加以及声子与极化子BEC相互作用的增强
极化子与声子的相互作用是如何发生的？作为轮胎中的空气，高密度的凝聚极化子对微腔镜施加压力，这可以触发和维持受限声子频率的机械振荡
这些呼吸振荡改变了微腔的尺寸，从而反作用于偏振BEC
正是这种耦合的光机械相互作用导致了声音在临界极化子密度以上的相干发射
声子相干发射的一个特征是能量为ℏωL的激光连续激发下BEC发射的自脉动
这种自脉动是由偏振BEC发射周围出现的强边带来识别的，这些边带被声子能量ℏωa的倍数所取代(参见
图中的红色曲线
1b)
图2中边带幅度的分析
图1b显示，成千上万的单色声子占据了最终的振动状态，并作为20 GHz相干声子激光束向衬底发射
这种设计的一个基本特征是通过内部的高强度单色光发射器(偏振BEC)来激发声子，这种光发射器不仅可以被光激发，还可以被电激发，就像垂直腔面发射激光器一样
此外，通过微腔设计的适当修改，可以获得更高的声子频率
声子激光器的潜在应用包括通信和量子信息设备中光束、量子发射器和门的相干控制，以及与未来网络技术相关的非常宽的20-300 GHz频率范围内的光-微波双向转换
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