Wenn Licht stark mit Materie interagiert, kann es einzigartige Quasiteilchen erzeugen, die Polaritonen genannt werden, die halb Licht und halb Materie sind. In den letzten Jahrzehnten erforschten Physiker die Realisierung von Polaritonen in optischen Hohlräumen und ihren Wert für die Entwicklung von Hochleistungslasern oder anderen Technologien.
Forscher der University of Manitoba haben kürzlich ein hochleistungsfähiges Gerät entwickelt, das auf Cavity-Magnon-Polaritonen basiert und Mikrowellen emittieren und verstärken kann. Dieses Gerät, eingeführt in Briefe zur körperlichen Überprüfungwurde festgestellt, dass es früher vorgeschlagene Festkörpervorrichtungen für kohärente Mikrowellenemission und -verstärkung bei Raumtemperatur deutlich übertrifft.
„1992 entdeckte Claude Weisbush, ein in Japan arbeitender französischer Halbleiterphysiker, das Resonator-Exziton-Polariton, indem er Licht in einem Quanten-Mikroresonator einschränkte, um mit Halbleitern zu interagieren“, sagte Can-Ming Hu, der Forscher, der die Studie leitete, gegenüber Phys.org.
„Dies führte zur Erfindung von Polariton-Lasern mit überlegener Leistung, die die Festkörperlasertechnologie verändert haben. Zwei Jahrzehnte später entdeckte die Magnetismus-Community das Resonator-Magnon-Polariton wieder, indem sie Mikrowellen in einem Resonator einschloss, um mit magnetischen Materialien, wie z. B. einem halben Photon, zu interagieren Halbmagnonen-Quasiteilchen wurde erstmals 1955 am MIT von Joe Artman und Peter Tannenwald entdeckt, was bis vor kurzem weitgehend unbemerkt blieb.
Drahtlose Kommunikations- und Quanteninformationstechnologien erfordern kohärente Mikrowellenquellen auf dem Chip. Durch diesen Bedarf motiviert, machten sich Hu und seine Kollegen daran, die potenzielle Verwendung von Cavity-Magnon-Polaritonen zu untersuchen, um eine qualitativ hochwertige Mikrowellenemission und -verstärkung zu erreichen.
„Fasziniert von der Ähnlichkeit zwischen Cavity-Magnon-Polariton und Cavity-Exziton-Polariton, wurde ich neugierig, ob das Cavity-Magnon-Polariton uns helfen könnte, bessere Festkörper-Mikrowellenquellen herzustellen“, sagte Hu. „Also hat meine Gruppe 2015 eine Studie gestartet, um die Mikrowellenemission von Cavity-Magnon-Polaritonen zu untersuchen.“
Die Forscher machten sich zunächst daran, ein Licht-Materie-gekoppeltes System basierend auf Cavity-Magnon-Polaritonen für kohärente Mikrowellenemission zu schaffen. Letztendlich hofften sie, eine höhere Leistung als die in früheren Arbeiten berichteten zu erreichen und gleichzeitig die Stabilität und Steuerbarkeit ihres Geräts als hybrides Licht-Materie-gekoppeltes System beizubehalten.
„Zunächst folgen wir dem 1920 vom niederländischen Physiker van der Pol vorgeschlagenen Prinzip: Durch die Verwendung nichtlinearer Dämpfung zum Ausgleich der Verstärkung in einem verstärkten Schwingungssystem kann man einen stabilen, verstärkungsgesteuerten Hohlraum entwerfen und optimieren“, sagt Bimu Yao, außerordentlicher Professor von der Chinesische Akademie der Wissenschaften, die diese Studie an der Universität von Manitoba durchgeführt hat, gegenüber Phys.org. „Dann setzen wir ein magnetisches Material in einen solchen verstärkungsgesteuerten Mikrowellenhohlraum und lassen die verstärkten Mikrowellen stark mit Magnonen interagieren.“
Die starke Wechselwirkung zwischen verstärkten Mikrowellen und Magnonen im System der Forscher erzeugt eine neue Art von Polariton, das sie als „verstärkungsgesteuertes“ Polariton bezeichneten. Im Vergleich zu herkömmlichen Polaritonen, die in früheren Studien realisiert wurden, hat dieses verstärkungsgetriebene Polariton eine stabile Phase, die wiederum die kohärente Emission von Mikrowellenphotonen ermöglicht.
„Seit Jahrzehnten arbeitet die Magnetismus-Community an einem Spin-Toque-Oszillator (STO), einem Festkörpergerät, das Magnonen verwendet, um kohärente Mikrowellen zu erzeugen“, sagte Yongsheng Gui, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Manitoba, der die durchgeführt hat Studie, sagte Phys.org. „Die größte Hürde besteht darin, dass die Emissionsleistung des STO typischerweise auf weniger als 1 nW begrenzt ist. Die Leistung unseres Geräts ist millionenfach stärker und der Emissionsqualitätsfaktor tausendmal besser.“
In ersten Bewertungen erzielte ein von diesem Forscherteam entwickeltes Proof-of-Principle-Gerät bemerkenswerte Ergebnisse und übertraf sowohl STOs als auch Festkörper-Maser, die in der Vergangenheit entwickelt wurden. Maser sind Geräte, die die stimulierte Strahlungsemission von Atomen nutzen, um Mikrowellenstrahlung zu verstärken oder zu erzeugen.
„Außerhalb der Magnetismus-Community gab es verschiedene Bemühungen zur Entwicklung von Masern“, sagte Gui. „Im Vergleich zum besten Festkörper-Maser ist die Leistung unseres Geräts milliardenfach stärker, bei vergleichbarem Emissionsqualitätsfaktor.“
Das neue verstärkungsgesteuerte Polariton, das von Hu und seinen Kollegen realisiert wurde, könnte aufregende neue Möglichkeiten für die Entwicklung von hochleistungsfähigen Festkörper-Mikrowellenquellen eröffnen, die auf dem Chip integriert werden können. Zusätzlich zu ihrer kompakten Größe sind diese Polariton-Mikrowellenquellen aufgrund der fabelhaften Steuerbarkeit der Licht-Materie-Wechselwirkung frequenzabstimmbar. Sie könnten schließlich in eine breite Palette von Technologien und Geräten integriert werden, einschließlich drahtloser Kommunikationssysteme und Quantencomputer.
„Da die Physik der verstärkungsgetriebenen Licht-Materie-Wechselwirkung neu ist, könnte unsere Studie auch zu neuen Entdeckungen jenseits von Mikrowellenanwendungen führen“, fügte Hu hinzu. „Wir haben jetzt eine Patentanmeldung eingereicht, und meine Studenten arbeiten daran, gemeinsam mit Industriepartnern Prototypengeräte zu entwickeln.“
Mehr Informationen:
Bimu Yao et al, Kohärente Mikrowellenemission von verstärkungsgesteuerten Polaritons, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.146702
Can-Ming Hu, Dawn of Cavity Spintronik, arXiv (2015). DOI: 10.48550/arxiv.1508.01966
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