Kiedy światło silnie oddziałuje z materią, może wytworzyć unikalne quasi-cząstki zwane polarytonami, które są w połowie światłem, a w połowie materią. W ostatnich dziesięcioleciach fizycy badali realizację polarytonów we wnękach optycznych i ich wartość dla rozwoju wysokowydajnych laserów lub innych technologii.

Naukowcy z University of Manitoba opracowali niedawno wysoce wydajne urządzenie oparte na polarytonach magnonowych wnękowych, które mogą emitować i wzmacniać mikrofale. To urządzenie, wprowadzone w Listy z przeglądu fizycznegoStwierdzono, że znacznie przewyższa poprzednio proponowane urządzenia półprzewodnikowe do spójnej emisji mikrofal i wzmocnienia w temperaturze pokojowej.

„W 1992 roku Claude Weisbush, francuski fizyk zajmujący się półprzewodnikami pracujący w Japonii, odkrył polaryton ekscytonu wnękowego, ograniczając światło w mikrownęce kwantowej w celu interakcji z półprzewodnikami” – powiedział Phys.org Can-Ming Hu, naukowiec, który kierował badaniem.

„Doprowadziło to do wynalezienia laserów polarytonowych o doskonałych parametrach, które zmieniły technologię laserów na ciele stałym. Dwie dekady później społeczność magnetyczna ponownie odkryła polaryton magnonowy wnękowy, ograniczając mikrofale we wnęce w celu interakcji z materiałami magnetycznymi, takimi jak półfoton a quasi-cząstka półmagnona została po raz pierwszy odkryta przez Joe Artmana i Petera Tannenwalda w 1955 roku w MIT, co do niedawna pozostawało w dużej mierze niezauważone”.

Komunikacja bezprzewodowa i kwantowe technologie informacyjne wymagają zintegrowanych źródeł mikrofalowych. Zmotywowani tą potrzebą, Hu i jego współpracownicy postanowili zbadać potencjalne zastosowanie polarytonów magnonowych wnękowych w celu uzyskania wysokiej jakości emisji i wzmocnienia mikrofal.

„Zaintrygowany podobieństwem polarytonu magnonowego wnęki i polarytonu ekscytonu wnękowego, zacząłem się zastanawiać, czy polaryton magnonowy wnęki może pomóc nam w stworzeniu lepszych półprzewodnikowych źródeł mikrofalowych” – powiedział Hu. „Tak więc w 2015 roku moja grupa rozpoczęła badania mające na celu zbadanie emisji mikrofalowej polarytonów magnonowych wnęki”.

Naukowcy początkowo postanowili stworzyć sprzężony system światło-materia oparty na polarytonach magnonowych wnęki do spójnej emisji mikrofal. Ostatecznie mieli nadzieję osiągnąć wyższą wydajność niż opisana w poprzednich pracach, zachowując jednocześnie stabilność i sterowność swojego urządzenia jako hybrydowego systemu sprzężonego ze światłem i materią.

„Po pierwsze, kierujemy się zasadą zaproponowaną w 1920 roku przez holenderskiego fizyka van der Pola: używając tłumienia nieliniowego do zrównoważenia wzmocnienia we wzmocnionym systemie oscylacyjnym, można zaprojektować i zoptymalizować stabilną wnękę sterowaną wzmocnieniem” – Bimu Yao, profesor nadzwyczajny z Chińska Akademia Nauk, która przeprowadziła to badanie na Uniwersytecie w Manitobie, powiedziała Phys.org. „Następnie umieściliśmy materiał magnetyczny w takiej wnęce mikrofalowej napędzanej wzmocnieniem, pozwalając wzmocnionym mikrofalom na silną interakcję z magnonami”.

Silna interakcja między wzmocnionymi mikrofalami i magnonami w systemie naukowców wytwarza nowy typ polarytonu, który nazwali polarytonem „napędzanym wzmocnieniem”. W porównaniu z konwencjonalnymi polarytonami zrealizowanymi w poprzednich badaniach, ten polaryton napędzany wzmocnieniem ma stabilną fazę, co z kolei umożliwia spójną emisję fotonów mikrofalowych.

„Od dziesięcioleci społeczność magnetyzmu pracuje nad oscylatorem spin-toque (STO), który jest urządzeniem półprzewodnikowym, które wykorzystuje magnony do wytwarzania spójnych mikrofal” – mówi Yongsheng Gui, pracownik naukowy z University of Manitoba, który przeprowadził badania, powiedział Phys.org. „Główną przeszkodą jest to, że moc emisji STO jest zwykle ograniczona do mniej niż 1 nW. Moc wyjściowa naszego urządzenia jest milion razy większa, a współczynnik jakości emisji jest tysiąc razy lepszy”.

We wstępnych ocenach urządzenie stworzone przez ten zespół naukowców uzyskało niezwykłe wyniki, przewyższając zarówno STO, jak i półprzewodnikowe masery opracowane w przeszłości. Masery to urządzenia wykorzystujące wymuszoną emisję promieniowania przez atomy do wzmacniania lub generowania promieniowania mikrofalowego.

„Poza społecznością magnetyzmu podjęto różnorodne wysiłki w celu opracowania maserów” – powiedział Gui. „W porównaniu z najlepszym maserem półprzewodnikowym moc wyjściowa naszego urządzenia jest miliard razy większa, przy porównywalnym współczynniku jakości emisji”.

Nowy polaryton sterowany wzmocnieniem, zrealizowany przez Hu i jego współpracowników, może otworzyć nowe, ekscytujące możliwości rozwoju wysoce wydajnych półprzewodnikowych źródeł mikrofal, które można zintegrować z chipem. Oprócz niewielkich rozmiarów, te polarytonowe źródła mikrofalowe można przestrajać częstotliwość dzięki fantastycznej możliwości kontrolowania interakcji światło-materia. Docelowo można je zintegrować z szeroką gamą technologii i urządzeń, w tym systemów komunikacji bezprzewodowej i komputerów kwantowych.

„Ponieważ fizyka oddziaływań światła z materią napędzanych wzmocnieniem jest nowa, nasze badania mogą również doprowadzić do nowych odkryć wykraczających poza zastosowania mikrofalowe” – dodał Hu. „Złożyliśmy już wniosek patentowy, a moi studenci wraz z partnerami branżowymi pracują nad opracowaniem prototypowych urządzeń”.