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Bose-Einstein-Kondensat treibt einen Phononenlaser an

18.09.2020

Obwohl die Konzepte von optischen (Photonen-) und Schall- (Phononen-) Lasern fast zur gleichen Zeit vorhergesagt wurden, ist ersterer allgegenwärtig, aber Implementierungen von letzteren haben noch nicht die technologische Reife erreicht.

Ein gemeinsames Forscherteam des Instituto Balseiro und des Centro Atomico in Bariloche (Argentinien) und des Paul-Drude-Instituts in Berlin (Deutschland) hat einen neuen Ansatz zur effizienten Erzeugung kohärenter mechanischer Schwingungen auf Basis des Bose-Einstein-Kondensats (BEC) vorgestellt. von gekoppelten Licht-Materie-Teilchen (Polaritonen) .

Ein Polariton-BEC wird in einer Falle erzeugt – einem Halbleitermikrohohlraum, der aus elektronischen Zentren besteht, die zwischen verteilten Bragg-Reflektoren (DBR) angeordnet sind, die so konzipiert sind, dass sie Licht mit der gleichen Energie reflektieren, wie sie von den Zentren emittiert wird.

Bei Anregung mit Licht einer anderen Energie (für die die Falle transparent ist) senden die elektronischen Zustände der Zentren Lichtteilchen aus, sie werden zurückreflektiert und von den Zentren wieder absorbiert. Eine schnelle und sich wiederholende Abfolge von Emission und Reabsorption führt zur Vermischung von elektronischen und Photonenzuständen und zur Entstehung eines hybriden Quasiteilchens - eines Polaritons. Die räumliche Lokalisierung einer großen Anzahl von Polaritonen in der Falle löst den Prozess ihrer Selbstorganisation mit der Bildung eines Polariton-Lasers aus.

Die Spiegelmikrokavität von AlGaAs wirkt nicht nur als Falle für Photonen im nahen Infrarot, sondern auch für mechanische Schwingungsquanten (Phononen). Eine Zunahme der Phononenpopulation verstärkt ihre Wechselwirkung mit dem Polariton-BEC und führt zu einer kohärenten akustischen Emission in Richtung des Substrats bei einer Frequenz von 20 GHz.

Ein intensiver und monochromatischer Lichtsender, der Polariton BEC, der den Betrieb eines Phononenlasers anregt, kann nicht nur optisch, sondern auch elektronisch angeregt werden, wie VSCEL-Laser. Eine entsprechende Änderung im Design der Mikrokavität kann es ermöglichen, die Frequenz des Phononenlasers zu erhöhen.

Mögliche Anwendungen des Phononenlasers können die kohärente Steuerung von Lichtstrahlen, Quantenemitter, Gateways von Kommunikationsgeräten und Quanteninformatik sowie die Umwandlung von Licht in Mikrowellenstrahlung und zurück in einem sehr weiten Frequenzbereich (20-300 GHz) sein. , die für zukünftige Netzwerktechnologien relevant ist.

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