声子激光器：自呼吸谐振腔中的相干振动

激光，即一束具有明确波长(颜色)和相位的准直光束的发射，这是一个自组织的过程，在这个过程中，一组发射中心同步自身产生相同的光粒子(光子)。类似的自组织同步现象也会导致相干振动的产生——声子激光，此处的声子表示，类似于光子，是一种声音的量子粒子。

光子激光首次被证实是在大约60年前，巧合的是，也恰好在阿尔伯特·爱因斯坦的预言60年之后被首次证实，这种放大光的受激发射在多个领域得到了前所未有的科学和技术应用。

如图所示为一个半导体微腔中微结构陷阱的偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）和声子激光的示意图，右边所示为低（下曲线）和高（上曲线）粒子密度下的玻色-爱因斯坦凝聚体发射情况，显示声子能量hωa分离的声子边带。

虽然“声音激光”的概念几乎是在同一时间被预言出来的，但迄今为止只有很少的实现报告，而且没有一个技术成熟。现在，来自阿根廷Bariloche的Balseiro研究所和Centro Atómico研究所和柏林的Paul Drude Institut的研究人员合作，提出了一种利用半导体结构在数十GHz范围内高效产生相干振动的新方法。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言：物质的第五态，即耦合光物质粒子（极化子）的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。

偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体是在半导体微腔的微结构阱中产生的，该微腔由夹在分布布拉格反射器（DBR）之间的电子中心组成，设计用于反射由中心发射的相同能量ℏωC的光（参见上图）。当受到不同能量的光束（DBR是透明的）光激发时，中心的电子态发射能量为ℏωC的光粒子（光子），这些粒子在DBR处反射回来。光子又被中心重新吸收。快速而重复的发射和再吸收过程使我们无法区分能量是储存在电子态还是光子态。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，叫做极化子。此外，在高粒子密度下（并借助于陷阱诱导的空间局部化），偏振子进入一种类似于激光中光子的自组织状态，在这种状态下，所有粒子同步发射具有相同能量和相位的光—偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体激光器。偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体的特征信号是一条非常窄的光谱线，如图中的蓝色曲线所示，可通过测量从微腔逸出的倏逝辐射来检测。

所使用的微腔反射镜（DBR）的另一个有趣的特性是在特定波长范围内不仅反射光学（光）而且反射机械振动（声音）。因此，在近红外波段，典型的砷化铝镓（AlGaAs）光子微腔也限制了振动声子的量子，其能量ωa对应于振荡频率ωa/2p约20ghz。由于DBRs的光子反射为极化子玻色-爱因斯坦凝聚体的形成提供了所需的反馈，声子反射导致声子的增加以及声子与偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用的增强。

极化子和声子之间的相互作用是如何发生的呢？我们知道当轮胎中有空气时，高密度的凝聚极性对微腔反射面施加压力，微腔反射面可以触发并维持受限声子频率下的机械振荡。这些振荡改变了微腔的尺寸，从而作用于极化子玻色-爱因斯坦凝聚体。正是这种耦合的光-机械相互作用导致了超过临界极化子密度的声音的相干发射。声子的这种相干发射的指纹是能量ℏωL的激光在连续激发下的玻色-爱因斯坦凝聚体发射的自脉冲。这种自脉冲由声子能量ℏωA的倍数所取代的极化子玻色-爱因斯坦凝聚体发射，利用强边带来识别（参见图中的红色曲线）。

对图中边带的振幅的分析表明，成百上千的单色声子填充产生的振动状态，并作为20ghz的相干声子激光束向衬底发射。这种设计的一个基本特点是内部高强度单色光发射器（即偏振子玻色-爱因斯坦凝聚体）对声子的刺激，这种光发射器不仅可以在光学上也可以在电上激发，就像在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中一样。此外，通过适当的微腔设计可以获得更高的声子频率。声子激光器的潜在应用包括在通信和量子信息设备中对光束、量子发射器和门进行相干控制，以及在与未来网络技术相关的非常宽的20-300ghz频率范围内的光到微波双向转换。

原文链接：https://phys.org/news/2020-09-phonon-laser-coherent-vibrations-self-breathing.html