Lorsque la lumière interagit fortement avec la matière, elle peut produire des quasi-particules uniques appelées polaritons, qui sont à moitié lumière et à moitié matière. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont exploré la réalisation de polaritons dans des cavités optiques et leur valeur pour le développement de lasers hautement performants ou d’autres technologies.
Des chercheurs de l’Université du Manitoba ont récemment mis au point un dispositif hautement performant basé sur des polaritons de magnon de cavité qui peuvent émettre et amplifier des micro-ondes. Ce dispositif, introduit en Lettres d’examen physiques’est avéré surpasser de manière significative les dispositifs à semi-conducteurs proposés précédemment pour l’émission et l’amplification cohérentes des micro-ondes à température ambiante.
« En 1992, Claude Weisbush, un physicien français des semi-conducteurs travaillant au Japon, a découvert le polariton d’excitation de la cavité en confinant la lumière dans une microcavité quantique pour interagir avec les semi-conducteurs », a déclaré Can-Ming Hu, le chercheur qui a dirigé l’étude, à Phys.org.
« Cela a conduit à l’invention de lasers à polaritons aux performances supérieures qui ont transformé la technologie des lasers à semi-conducteurs. Deux décennies plus tard, la communauté du magnétisme a redécouvert le polariton des magnons à cavité en confinant les micro-ondes dans une cavité pour interagir avec des matériaux magnétiques, comme un demi-photon. et la quasi-particule demi-magnon a été découverte pour la première fois par Joe Artman et Peter Tannenwald en 1955 au MIT, ce qui est passé largement inaperçu jusqu’à récemment. »
Les technologies de communication sans fil et d’information quantique nécessitent des sources de micro-ondes cohérentes sur puce. Motivés par ce besoin, Hu et ses collègues ont entrepris d’explorer l’utilisation potentielle des polaritons de magnon de cavité pour obtenir une émission et une amplification micro-ondes de haute qualité.
« Intrigué par la ressemblance entre le polariton du magnon de la cavité et le polariton de l’exciton de la cavité, je suis devenu curieux de savoir si le polariton du magnon de la cavité pourrait nous aider à fabriquer de meilleures sources de micro-ondes à l’état solide », a déclaré Hu. « Ainsi, en 2015, mon groupe a lancé une étude pour explorer l’émission de micro-ondes des polaritons de magnon de cavité. »
Les chercheurs ont initialement entrepris de créer un système couplé lumière-matière basé sur des polaritons de magnon de cavité pour une émission micro-onde cohérente. Ils espéraient finalement atteindre des performances supérieures à celles rapportées dans les travaux précédents, tout en conservant la stabilité et la contrôlabilité de leur appareil en tant que système hybride couplé lumière-matière.
« Tout d’abord, nous suivons le principe proposé en 1920 par le physicien néerlandais van der Pol : en utilisant un amortissement non linéaire pour équilibrer le gain dans un système oscillatoire amplifié, on peut concevoir et optimiser une cavité stable pilotée par le gain », a déclaré Bimu Yao, professeur agrégé à la L’Académie chinoise des sciences qui a mené cette étude à l’Université du Manitoba, a déclaré à Phys.org. « Ensuite, nous avons placé un matériau magnétique dans une telle cavité micro-ondes à gain, permettant aux micro-ondes amplifiées d’interagir fortement avec les magnons. »
La forte interaction entre les micro-ondes amplifiées et les magnons dans le système des chercheurs produit un nouveau type de polariton, qu’ils ont surnommé un polariton « piloté par le gain ». Comparé aux polaritons conventionnels réalisés dans des études précédentes, ce polariton piloté par le gain a une phase stable, qui à son tour permet l’émission cohérente de photons micro-ondes.
« Depuis des décennies, la communauté du magnétisme travaille sur l’oscillateur spin-toque (STO), qui est un dispositif à semi-conducteurs qui utilise des magnons pour produire des micro-ondes cohérentes », a déclaré Yongsheng Gui, chercheur associé à l’Université du Manitoba qui a réalisé le étude, a déclaré à Phys.org. « Le principal obstacle est que la puissance d’émission du STO est généralement limitée à moins de 1 nW. La sortie de notre appareil est un million de fois plus puissante et le facteur de qualité d’émission est mille fois meilleur. »
Lors des premières évaluations, un dispositif de preuve de principe créé par cette équipe de chercheurs a obtenu des résultats remarquables, surpassant à la fois les STO et les masers à semi-conducteurs développés dans le passé. Les masers sont des dispositifs qui utilisent l’émission stimulée de rayonnement par des atomes pour amplifier ou générer un rayonnement micro-onde.
« En dehors de la communauté du magnétisme, il y a eu divers efforts pour développer des masers », a déclaré Gui. « Par rapport au meilleur maser à semi-conducteurs, la sortie de notre appareil est un milliard de fois plus puissante, avec un facteur de qualité d’émission comparable. »
Le nouveau polariton piloté par le gain réalisé par Hu et ses collègues pourrait ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour le développement de sources micro-ondes à semi-conducteurs hautement performantes pouvant être intégrées sur puce. En plus de leurs dimensions compactes, ces sources hyperfréquences à polaritons sont accordables en fréquence grâce à la fabuleuse contrôlabilité de l’interaction lumière-matière. Ils pourraient finalement être intégrés dans un large éventail de technologies et d’appareils, y compris les systèmes de communication sans fil et les ordinateurs quantiques.
« Comme la physique de l’interaction lumière-matière pilotée par le gain est nouvelle, notre étude pourrait également conduire à de nouvelles découvertes au-delà des applications micro-ondes », a ajouté Hu. « Nous avons maintenant déposé une demande de brevet, et mes étudiants travaillent sur le développement de prototypes de dispositifs avec des partenaires de l’industrie. »
Plus d’information:
Bimu Yao et al, Coherent Microwave Emission of Gain-Driven Polaritons, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.146702
Can-Ming Hu, Dawn of Cavity Spintronics, arXiv (2015). DOI : 10.48550/arxiv.1508.01966
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