Laser Fonon

Fonon penguat-koheren amplifikasi fonon oleh dirangsang emisi telah dicapai dalam analog murni akustik skema laser yang tiga tingkat.

Fondasi teoritis untuk laser didirikan pada tahun 1917, ketika Einstein merumuskan teori kuantum radiasi, menjelaskan penyerapan, emisi spontan, dan menstimulasi emisi radiasi elektromagnetik. Realisasinya tinggal tersembunyi selama beberapa dekade, namun, sebelum muncul dalam bentuk maser dan laser, yang memancarkan radiasi microwave dan terlihat, masing-masing. Rentang frekuensi yang dipancarkan segera diperluas untuk mencakup panjang gelombang dari inframerah untuk rentang x-ray, dan penguat ini diekstrapolasikan di luar bidang optik. Laser elektron bebas, di mana media aktif adalah berkas elektron relativistik, membantu berkisar penutup panjang gelombang ekstrim dan sekarang menjadi dasar bagi generasi baru fasilitas eksperimental untuk x-ray eksperimen. Atom gelombang materi laser-emitting bukan foton-juga telah ditunjukkan. Baru-baru ini, gagasan laser diperpanjang untuk gelombang suara, yang mengarah ke konsep dari analog akustik laser, yang memancarkan fonon (getaran kisi) bukan foton. Sekarang, menulis di Physical Review Letters, Mahboob Imran di NTT Penelitian Dasar Laboratorium, Jepang, dan rekan melaporkan pada demonstrasi eksperimental dari mitra murni mekanis skema laser yang tiga tingkat [1]. Perangkat, senang dengan getaran akustik, menguatkan gelombang suara melalui emisi terstimulasi dari fonon dan bertindak sebagai laser Fonon: sumber spektral murni fonon dengan frekuensi sekitar 1,7 megahertz (MHz).

Apa daya tarik laser Fonon? Salah satu keuntungan potensial adalah bahwa emisi mereka memiliki panjang gelombang lebih kecil dari laser foton pada frekuensi yang sama karena kecepatan suara jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Hal ini dapat membantu meningkatkan resolusi tomografi,, USG dan teknik pencitraan lainnya. Dalam analogi dengan sepupu optik mereka, laser Fonon mungkin memberikan balok akustik terarah dan koheren, yang dapat digabungkan dengan mesin mekanik nano atau digunakan dalam jaringan komunikasi berbasis gelombang akustik. Tapi seperti sejarah laser optik menunjukkan, sebagian besar aplikasi laser Fonon masa depan mungkin sama sekali tak terduga.

Dalam dekade terakhir, realisasi laser Fonon telah ditempuh dengan menggunakan pendekatan yang berbeda, yang melibatkan sumur kuantum semikonduktor [2], perangkat nano [3], nanomagnets [4], ion terjebak tunggal [5], atau gas laser-cooled [6]. Sepenuhnya emisi koheren fonon telah dibuktikan baru-baru ini, dengan menggunakan skema optomechanical hybrid di mana emisi terstimulasi dari fonon didorong oleh foton: microcavities optik dipompa ditunjukkan untuk menghasilkan emisi akustik dirangsang dalam kisaran ratusan megahertz [7] dan dalam kisaran Terahertz [8]. Menggunakan pendekatan yang sama, generasi fonon koheren dan monokromatik dicapai dalam laser permukaan rongga vertikal dirancang untuk menjadi resonansi untuk kedua foton dan fonon pada panjang gelombang yang sama [9]. Namun, kebutuhan untuk optik pemompaan dalam arsitektur tersebut sangat mungkin membatasi pengembangan laser Fonon karena kompromi tidak dapat dihindari harus dibuat ketika merancang skema yang bersamaan resonansi untuk kedua fonon dan fonon. Oleh karena itu, pengembangan laser Fonon murni mekanik akan menimbulkan terobosan besar.

Sekarang, kertas dari Mahboob et al. melaporkan langkah yang signifikan menuju tujuan ini. Para penulis membuat sistem mekanis murni dari tiga tingkat energi yang mengingatkan skema laser yang tiga-tingkat (lihat Gambar. 1, panel atas). Dalam laser tiga tingkat, atom sangat antusias oleh pompa optik (biasanya yang lain laser atau flashlamp a) dari permukaan tanah (1) ke tingkat energi yang lebih tinggi (3), dan kemudian dengan cepat rileks melalui emisi spontan dan menumpuk di atas laser tingkat (2). Jika populasi tingkat 2 melebihi tingkat 1 (kondisi yang dikenal sebagai inversi populasi), foton resonansi dengan 1 2 transisi Laser → mendapatkan diperkuat melalui emisi terstimulasi: bertindak media sebagai penguat optik dan, ketika ditempatkan dalam rongga, penguat terjadi jika keuntungan melebihi kerugian.

Demikian pula, resonator elektromekanis yang digunakan oleh penulis dapat meniru perilaku dari sistem atom dengan tingkat energi diskrit. Resonator adalah berukuran mikrometer GaAs berbasis balok heterostructure, dijepit pada dua sisi (lihat Gambar 1,. Panel bawah inset), yang berperilaku sebagai berkualitas tinggi-faktor "rongga Fonon," dengan satu set yang didefinisikan dengan baik getaran frekuensi yang bisa dimanipulasi piezoelectrically melalui elektroda eksternal [10]. Dalam skema, sistem tiga tingkat terdiri dari tiga mode akustik ditambah getaran, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1 (panel bawah). Yang terendah frekuensi akustik modus (ωL) adalah modus lentur mendasar dari resonator (mode lentur, juga dikenal sebagai gelombang Domba, adalah getaran dari pelat padat dengan gerakan baik di sepanjang pesawat dan dalam arah tegak lurus ke pesawat). Modus menengah dan atas, ωM dan ωH, adalah mode komposit (lentur-torsorial-overhang) lainnya dari rongga mekanik yang sama. Modus memiliki frekuensi dalam kisaran MHz dan bandwidth sempit (di bawah 40Hz). Para penulis merangsang tingkat atas pada ωH frekuensi melalui aktuator piezoelektrik dan, dengan menerapkan tegangan bias konstan untuk elektroda piezoelektrik, menyesuaikan frekuensi modus yang lebih rendah untuk mencapai kondisi resonansi ωL = ωH-ωM. Setelah resonansi, eksitasi dari hasil tingkat atas dalam emisi diperkuat radiasi akustik, sesuai dengan transisi dirangsang antara atas dan tingkat energi menengah.

Para penulis menunjukkan bahwa perangkat menunjukkan keunggulan klasik penguat. Pertama, emisi fonon memiliki batas yang jelas sebagai fungsi intensitas pompa: dalam laser, ambang batas sesuai dengan tingkat eksitasi minimum di mana output mulai didominasi oleh dirangsang, bukan spontan, emisi. Kedua, di atas ambang batas, tingkat output meningkat jauh lebih tajam dengan kekuatan pompa dan kemudian jenuh pada rezim linier. Ini adalah fitur lain karakteristik ketidakstabilan laserlike: dalam rezim saturasi, gain cukup tinggi bahwa setiap fonon pompa tambahan disuntikkan ke dalam rongga (ωH) meluruh menjadi dua fonon frekuensi yang lebih rendah, di ωL dan ωM. Akhirnya, bukti yang jelas untuk penguat aksi diberikan oleh kemurnian spektral Fonon rendah modus dipancarkan: laser gelombang kontinu merupakan sumber spektral koheren yang memancarkan cahaya pada frekuensi yang sangat tepat. Di sini, bandwidth mode pada frekuensi rendah sempit seperti 175 millihertz (sekitar bagian dalam sepuluh jutaan frekuensi pembawa).

Perilaku yang diamati adalah karena transisi radiasi murni akustik, di mana fonon diperkuat melalui emisi Fonon dirangsang. Tingkat energi tiga mode rongga mekanik memainkan peran keadaan kuantum internal media aktif laser, dan pompa laser digantikan oleh aktuator piezoelektrik, yang menggairahkan modus atas frekuensi. Akhirnya, intermodal kopling (fakta bahwa osilasi dari satu modus memodifikasi dinamika modus lain) menimbulkan mekanisme dimana energi ditransfer antara tingkat energi mekanik. Proses penguat Fonon mengingatkan apa yang disebut "optik parametrik" efek dalam kristal optik nonlinier, di mana foton pompa dibagi menjadi dua foton, energi jumlah yang sama dengan energi dari foton pompa.

Percobaan Mahboob dan kolaborator merupakan langkah penting menuju pengembangan kelas baru laser Fonon seluruhnya mekanis atau, karena beberapa (termasuk saya) lebih memilih untuk memanggil mereka, terinspirasi oleh senjata fiksi Star Trek: "phasers" (singkatan amplifikasi Fonon oleh menstimulasi emisi radiasi). Sejumlah pertanyaan tetap diperhatikan: Bagaimana balok akustik koheren digabungkan ke dunia luar? Akankah sinar sifat fitur koherensi spasial dan temporal mirip dengan sinar laser optik? Penelitian lebih lanjut juga dapat mengambil keuntungan dari prinsip-prinsip yang sama untuk menyusun tahapan amplifikasi yang lebih meningkatkan output energi dari gelombang suara yang dipancarkan. Sebuah versi modern dari sangkakala Yerikho mungkin mendekati-mudahan, dengan hasil yang kurang destruktif.

Gambar: APS / José Tito Mendonça, gambar pada homepage dan inset: I. Mahboob / NTT Penelitian Dasar Laboratorium

Gambar 1 (Top) Tiga-tingkat skema untuk laser optik konvensional. (Bawah) Tiga-tingkat skema laser Fonon dilaporkan oleh Mahboob et al. [1]. Rongga laser mekanik fitur tingkat energi ketiga, di mana hanya transisi fonon diperbolehkan. Laser dipompa ke ωH tingkat atas oleh transduser piezoelektrik, dan merangsang Fonon radiasi peluruhan diperkuat ke ωM tingkat menengah diamati pada frekuensi ωL = ωH-ωM. Inset: mikrograf elektron dari resonator elektromekanis yang digunakan oleh Mahboob et al.

Source : Physics aps