لیزر فونون: نوسانات همدوس یک تشدیدگر تنفس کننده

شکل ۱- سمت چپ: پلاریتون BEC و لیزر فونونی یک تله ریز ساختار در یک ریزکاواک نیمه هادی. سمت راست: انتشار BEC  تحت تراکم ذرات کم (منحنی پایین) و تراکم ذرات بالا (منحنی فوقانی)

لیزدادن (انتشار یک پرتوی نور موازی با یک طول موج (رنگ) و فاز کاملاً مشخص) نتیجه یک فرآیند خود‎‎‎سازمان یافته است که در آن مجموعه‎ای از مراکز گسیلنده، خود را برای تولید ذرات نور (فوتون‏ها) هم‌زمان می‎کنند. یک پدیده همزمان سازی خود سازمان یافته فونونی مشابه نیز می‎تواند منجر به تولید ارتعاشات همدوس یا همان لیزر فونون شود. فونون به ذرات کوانتومی صدا گفته می‎شود.

لیزر فوتون برای اولین بار تقریباً ۶۰ سال پیش و به طور تصادفی ۶۰ سال پس از پیش بینی آن توسط آلبرت انیشتین نشان داده شد. این تابش تحریک شده از نور تقویت شده، کاربردهای علمی و فناوری بسیار زیادی در سراسر دنیا پیدا کرد.

اگرچه مفهوم “لیزر صدا” تقریباً هم‌زمان با پیش بینی لیزر نور بیان شده بود، اما تاکنون گزارش‌های کمی از اجرای آن در دست است و هیچ یک از آنها به بلوغ فناوری نرسیده‎اند. اکنون همکاری بین محققان مؤسسه بالسیرو[۱] و  مرکز اتمی[۲] آرژانتین و مؤسسه پاول درود[۳] در برلین (آلمان) یک روش جدید را برای تولید کارآمد ارتعاشات همدوس در محدوده ده‌ها گیگاهرتز با استفاده از ساختارهای نیمه‌هادی ارائه داده است. جالب است بدانید که این رویکرد برای تولید فونون‎های همدوس نیز بر اساس پیش بینی دیگری از انیشتین است: حالت پنجم ماده، چگالش بوز-انیشتین (BEC) که حاصل پیوند ذرات ماده -نور (پلاریتونها) است.

پلاریتون BEC در تله ریز ساختار یک ریزکاواک نیمه هادی متشکل از مراکز الکترونیکی که بین بازتابنده‌های توزیع شده براگ[۴] قرار گرفته‎اند، ایجاد می‎شود؛ که برای انعکاس نور با همان انرژی ℏωC ساطع شده از مراکز، طراحی شده‎اند (شکل ۱ سمت چپ). وقتی توسط پرتو نوری با اختلاف انرژیℏωL  که بازتابنده‌های توزیع شده براگ برای آن شفاف است، تحریک نوری انجام شود، حالات الکترونیکی مراکز، ذرات نوری (فوتون) با انرژی ℏωC گسیل می‎کنند، که در بازتابنده‌های توزیع شده براگ بازتاب می‎شوند. فوتون‏ها دوباره توسط مراکز، بازجذب می‎شوند. این توالی سریع و تکرار شونده گسیل و جذب، تشخیص اینکه انرژی در حالت الکترونیکی یا فوتونی ذخیره می‎شود را غیرممکن می‎سازد. این ترکیب حالت‏ها، ذرات جدید نور- ماده را ایجاد می‎کنند که پلاریتون نامیده می‎شوند. به‌علاوه، تحت شرایط تراکم ذرات بالا (با نگهداشته شدن ناشی از تله)، پلاریتونها به حالت خود سازمان یافته‌ای مشابه فوتون‎ها، لیزر می‏دهند به طوری که همه ذرات هم‌زمان نور را با همان انرژی و فاز منتشر می‎کنند و لیزر پلاریتون BEC ایجاد می‎شود. نمایانگر پلاریتون BEC یک خط طیفی بسیار باریک است که توسط منحنی آبی در شکل ۱ سمت راست نشان داده شده است و با اندازه‎گیری تابش خارج شده از ریزحفره قابل آشکارسازی است.

ویژگی جالب دیگر آینه‎های ریزکاواک توزیع شده براگ این است که نه تنها می‎توانند نور را منعکس کنند بلکه توانایی انعکاس ارتعاشات مکانیکی (صدا) در یک محدوده خاص از طول موج‏ها را نیز دارند. در نتیجه، یک ریزکاواک AlGaAs مخصوص فوتون‌های مادون قرمز نزدیک، می‎تواند فونون‎هایی با انرژی ℏωa با فرکانس نوسانیωa/2p  یعنی تقریباً ۲۰ گیگاهرتز را نیز محدود کند. از آنجا که بازتاب فوتون‎ها توسطDBR ها شرایط لازم برای تشکیل پلاریتون BEC را فراهم می‎کند، بازتاب فونون‎ها نیز منجر به تجمع جمعیت فونون‎ها و همچنین افزایش تعامل فونون با پلاریتون BEC می‎شود.

برهم کنش بین پلاریتون‎ها و فونون‎ها چگونه رخ می‎دهد؟ مانند هوایی که در یک لاستیک قرار دارد، تراکم بالای پلاریتون‏ها بر آینه‏های ریزکاواک فشار وارد می‏کند. به این ترتیب نوسانات مکانیکی که در فرکانس فونون‎های محدود شده، ایجاد و حفظ می‌شود. این نوسانات تنفس‎گونه ابعاد ریزکاواک را تغییر می‌دهد، بنابراین عملکرد آن به سمت پلاریتون‏های BEC برمی‎گردد. این برهمکنش متقابل اپتومکانیکی است که منجر به انتشار همدوس صدا در بالای آستانه تراکم بحرانی پلاریتون می‎شود. مشخصه این انتشار همدوس فونون‏ها، گسیل پالسBEC  تحت تحریک مداوم توسط لیزری با انرژی  ℏωLاست. این پالس‎ها با ظهور باندهای کناری قوی در اطراف گسیل پلاریتونBEC  که توسط انرژی چندین برابری انرژی فونون جابجا شده‎اند، مشخص می‎شود (منحنی قرمز در شکل ۱ سمت راست).

تجزیه و تحلیل دامنه باندهای کناری در شکل ۱ سمت راست نشان می‏دهد که تجمع صدها هزار فونون تکفام، منجر به ایجاد یک وضعیت ارتعاشی وگسیل پرتو لیزر فونون همدوس ۲۰ گیگاهرتزی می‏شود. یکی از ویژگی‎های اساسی این طرح، تحریک فونون‎ها توسط یک ساطع کننده نوری داخلی با شدت بالا و تک فام یعنی پلاریتون BEC است که نه تنها به صورت نوری بلکه الکتریکی نیز می‎تواند تحریک شود. علاوه بر این، با اصلاحات مناسب در طراحی ریزکاواک می‎توان فرکانس‎های بالاتر فونون را به‌ دست آورد. کاربردهای احتمالی لیزر فونون می‎تواند شامل کنترل همدوس پرتوهای نور، گسیل کننده‎های کوانتومی و گیت‎ها در ارتباطات و وسایل اطلاعات کوانتومی مانند تبدیل کننده دو طرفه نور به مایکروویو در یک بازه فرکانسی بسیار گسترده ۲۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتزی برای فناوری شبکه در آینده باشد.

 

 

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

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18358-z

 

 

[۱] Balseiro

[۲] Centro Atómico

[۳] Paul-Drude-Institute

[۴] Distributed Bragg Reflectors (DBRs)