激光，即一束具有明確波長(顏色)和相位的準(zhǔn)直光束的發(fā)射，這是一個自組織的過程，在這個過程中，一組發(fā)射中心同步自身產(chǎn)生相同的光粒子(光子)。類似的自組織同步現(xiàn)象也會導(dǎo)致相干振動的產(chǎn)生——聲子激光，此處的聲子表示，類似于光子，是一種聲音的量子粒子。

光子激光首次被證實是在大約60年前，巧合的是，也恰好在阿爾伯特·愛因斯坦的預(yù)言60年之后被首次證實，這種放大光的受激發(fā)射在多個領(lǐng)域得到了前所未有的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用。

如圖所示為一個半導(dǎo)體微腔中微結(jié)構(gòu)陷阱的偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）和聲子激光的示意圖，右邊所示為低（下曲線）和高（上曲線）粒子密度下的玻色-愛因斯坦凝聚體發(fā)射情況，顯示聲子能量hωa分離的聲子邊帶。

雖然“聲音激光”的概念幾乎是在同一時間被預(yù)言出來的，但迄今為止只有很少的實現(xiàn)報告，而且沒有一個技術(shù)成熟�，F(xiàn)在，來自阿根廷Bariloche的Balseiro研究所和Centro Atómico研究所和柏林的Paul Drude Institut的研究人員合作，提出了一種利用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在數(shù)十GHz范圍內(nèi)高效產(chǎn)生相干振動的新方法。有趣的是，這種產(chǎn)生相干聲子的方法是基于愛因斯坦的另一個預(yù)言：物質(zhì)的第五態(tài)，即耦合光物質(zhì)粒子（極化子）的玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）。

偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體是在半導(dǎo)體微腔的微結(jié)構(gòu)阱中產(chǎn)生的，該微腔由夾在分布布拉格反射器（DBR）之間的電子中心組成，設(shè)計用于反射由中心發(fā)射的相同能量ℏωC的光（參見上圖）。當(dāng)受到不同能量的光束（DBR是透明的）光激發(fā)時，中心的電子態(tài)發(fā)射能量為ℏωC的光粒子（光子），這些粒子在DBR處反射回來。光子又被中心重新吸收�？焖俣�重復(fù)的發(fā)射和再吸收過程使我們無法區(qū)分能量是儲存在電子態(tài)還是光子態(tài)。一種說法是，兩種狀態(tài)之間的混合產(chǎn)生了一種新的輕物質(zhì)粒子，叫做極化子。此外，在高粒子密度下（并借助于陷阱誘導(dǎo)的空間局部化），偏振子進(jìn)入一種類似于激光中光子的自組織狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，所有粒子同步發(fā)射具有相同能量和相位的光—偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體激光器。偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體的特征信號是一條非常窄的光譜線，如圖中的藍(lán)色曲線所示，可通過測量從微腔逸出的倏逝輻射來檢測。

所使用的微腔反射鏡（DBR）的另一個有趣的特性是在特定波長范圍內(nèi)不僅反射光學(xué)（光）而且反射機(jī)械振動（聲音）。因此，在近紅外波段，典型的砷化鋁鎵（AlGaAs）光子微腔也限制了振動聲子的量子，其能量ωa對應(yīng)于振蕩頻率ωa/2p約20ghz。由于DBRs的光子反射為極化子玻色-愛因斯坦凝聚體的形成提供了所需的反饋，聲子反射導(dǎo)致聲子的增加以及聲子與偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體相互作用的增強(qiáng)。

極化子和聲子之間的相互作用是如何發(fā)生的呢？我們知道當(dāng)輪胎中有空氣時，高密度的凝聚極性對微腔反射面施加壓力，微腔反射面可以觸發(fā)并維持受限聲子頻率下的機(jī)械振蕩。這些振蕩改變了微腔的尺寸，從而作用于極化子玻色-愛因斯坦凝聚體。正是這種耦合的光-機(jī)械相互作用導(dǎo)致了超過臨界極化子密度的聲音的相干發(fā)射。聲子的這種相干發(fā)射的指紋是能量ℏωL的激光在連續(xù)激發(fā)下的玻色-愛因斯坦凝聚體發(fā)射的自脈沖。這種自脈沖由聲子能量ℏωA的倍數(shù)所取代的極化子玻色-愛因斯坦凝聚體發(fā)射，利用強(qiáng)邊帶來識別（參見圖中的紅色曲線）。

對圖中邊帶的振幅的分析表明，成百上千的單色聲子填充產(chǎn)生的振動狀態(tài)，并作為20ghz的相干聲子激光束向襯底發(fā)射。這種設(shè)計的一個基本特點是內(nèi)部高強(qiáng)度單色光發(fā)射器（即偏振子玻色-愛因斯坦凝聚體）對聲子的刺激，這種光發(fā)射器不僅可以在光學(xué)上也可以在電上激發(fā)，就像在垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）中一樣。此外，通過適當(dāng)?shù)奈⑶辉O(shè)計可以獲得更高的聲子頻率。聲子激光器的潛在應(yīng)用包括在通信和量子信息設(shè)備中對光束、量子發(fā)射器和門進(jìn)行相干控制，以及在與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的非常寬的20-300ghz頻率范圍內(nèi)的光到微波雙向轉(zhuǎn)換。

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