Een krachtig op polariton gebaseerd apparaat voor coherente microgolfemissie en -versterking

Wanneer licht een sterke wisselwerking heeft met materie, kan het unieke quasideeltjes produceren, polaritonen genaamd, die half licht en half materie zijn. In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen onderzoek gedaan naar polaritonen in optische holtes en hun waarde bij het ontwikkelen van hoogwaardige lasers of andere technologieën.

Onderzoekers van de Universiteit van Manitoba hebben onlangs een krachtig apparaat ontwikkeld op basis van holtemagnonpolaritonen dat microgolfgolven kan uitzenden en versterken. Dit apparaat is geïntroduceerd in Fysieke beoordelingsbrievenpresteert aanzienlijk beter dan eerder voorgestelde solid-state apparaten voor coherente microgolfemissie en -versterking bij kamertemperatuur.

In 1992 ontdekte Claude Weisbosch, een Franse halfgeleiderfysicus die in Japan werkte, de holte van een exciton-polariton door licht op te sluiten in een kwantummicrogap om te interageren met de halfgeleider, vertelde Kan Ming Ho, de onderzoeker die toezicht hield op de studie, aan Phys.org.

Dit leidde tot de uitvinding van de polaritonlasers met superieure prestaties die de lasertechnologie in vaste toestand transformeerden.Twee decennia later herontdekte de magnetische gemeenschap de magnetische polaritonholte door microgolven in een holte op te sluiten om te interageren met magnetische materialen, zoals het halffoton. en half-magnon-deeltje voor het eerst ontdekt. ​​Ooit door Joe Artman en Peter Tannenwald in 1955 aan het MIT, dat tot voor kort grotendeels onopgemerkt bleef.”

Draadloze communicatie en kwantuminformatietechnologieën vereisen coherente on-chip microgolfbronnen. Gemotiveerd door deze behoefte, gingen hij en zijn collega’s op zoek naar het mogelijke gebruik van een holle kernelektrode om microgolfemissie en -versterking van hoge kwaliteit te bereiken.

“Geïntrigeerd door de gelijkenis tussen magnonpolaritons en excitonpolaritons, werd ik nieuwsgierig of magnetopolaritons ons zouden kunnen helpen betere microgolfbronnen in vaste toestand te maken, ” zei Hu. “Dus startte mijn groep in 2015 een studie om de microgolfemissie van de magneto-holte polariton te onderzoeken.”

De onderzoekers waren aanvankelijk van plan een licht-materie-gekoppeld systeem te creëren op basis van de magnetische holte-polaritonen van coherente microgolfemissie. Ze hoopten uiteindelijk betere prestaties te bereiken dan die gerapporteerd in eerder werk, terwijl ze de stabiliteit en bestuurbaarheid van hun apparaat als een gekoppeld hybride systeem van lichte materie behouden.

“Ten eerste volgen we het principe voorgesteld door de Nederlandse natuurkundige van der Pol in 1920: door niet-lineaire demping te gebruiken om de versterking in een versterkt oscillerend systeem te balanceren, kan men een stabiele versterkingsgestuurde holte ontwerpen en optimaliseren”, zegt Beimo Yao, universitair hoofddocent. van de Chinese Academie van Wetenschappen die deze studie hebben uitgevoerd, zei Studie aan de Universiteit van Manitoba voor Phys.org. “Vervolgens plaatsten we een magnetisch materiaal in een door versterking aangedreven microgolfholte, waardoor de versterkte microgolven sterk konden interageren met de magnonen.”

De sterke interactie tussen versterkte microgolven en magnonen in het systeem van de onderzoekers resulteert in een nieuw type polariton, dat ze een “gain-driven” polariton noemen. Vergeleken met de conventionele polaritonen die in eerdere studies zijn bereikt, heeft deze versterkingsgestuurde polariton een faseconstante, die op zijn beurt een coherente emissie van microgolffotonen mogelijk maakt.

“Al tientallen jaren werkt de magnetometergemeenschap aan de spin-up oscillator (STO), een solid-state apparaat dat magnetonen gebruikt om coherente microgolven te produceren,” Yong Sheng Gui, een onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Manitoba die de studie leidde , vertelt Phys.org.De belangrijkste hindernis is dat het emissievermogen van STO doorgaans beperkt is tot minder dan 1 nW. De output van onze apparaten is een miljoen keer krachtiger en de emissiekwaliteitsfactor is duizend keer beter.”

In voorlopige evaluaties leverde het proof-of-principle-apparaat dat door dit team van onderzoekers was bedacht opmerkelijke resultaten op en presteerde het beter dan zowel de STO als het in het verleden ontwikkelde solid-state sonde-apparaat. Stents zijn apparaten die de gestimuleerde emissie van straling door atomen gebruiken om microgolfstraling te versterken of te genereren.

“Buiten de magnetismegemeenschap zijn er pogingen gedaan door duikers om vangsten te ontwikkelen,” zei Gui. “Vergeleken met de beste solid-state masers is de output van onze apparaten een miljard keer krachtiger, met een vergelijkbare emissiekwaliteitsfactor.”

De nieuwe versterkingsgestuurde polariton die hij en zijn collega’s hebben gerealiseerd, zou opwindende nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor het ontwikkelen van hoogwaardige solid-state microgolfbronnen die op de chip kunnen worden geïntegreerd. Naast hun compacte afmetingen zijn polariton-microgolfbronnen frequentieafstembaar vanwege het opmerkelijke vermogen om de interactie tussen licht en materie te beheersen. Ze zouden uiteindelijk kunnen worden geïntegreerd in een breed scala aan technologieën en apparaten, waaronder draadloze communicatiesystemen en kwantumcomputers.

“Omdat de door versterking aangedreven licht-materie-interactiefysica nieuw is, kan onze studie ook leiden tot nieuwe ontdekkingen die verder gaan dan microgolftoepassingen,” voegde Hu toe. “We hebben nu een patentaanvraag ingediend en mijn studenten ontwikkelen prototypes van apparaten met industriële partners.”

© 2023 Wetenschap X Netwerk