Ein Gerät mit hoher Leistung für polariton-basierte kohärente Mikrowellenemission und -verstärkung.

5. Mai 2023 Feature

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Wenn Licht stark mit Materie interagiert, kann es einzigartige Quasiteilchen namens Polaritonen produzieren, die halb Licht und halb Materie sind. In den letzten Jahrzehnten haben Physiker die Realisierung von Polaritonen in optischen Kavitäten und deren Wert für die Entwicklung von hochleistungsfähigen Lasern oder anderen Technologien erforscht.

Wissenschaftler der Universität Manitoba haben kürzlich ein hochleistungsfähiges Gerät auf Basis von Cavity Magnon Polaritons entwickelt, das Mikrowellen emittieren und verstärken kann. Dieses Gerät, das in Physical Review Letters vorgestellt wurde, erwies sich als deutlich überlegen gegenüber zuvor vorgeschlagenen Festkörpergeräten für die kohärente Mikrowellenemission und -verstärkung bei Raumtemperatur.

"Im Jahr 1992 entdeckte Claude Weisbush, ein französischer Halbleiterphysiker, der in Japan arbeitete, durch Einschränkung von Licht in einer Quantenmikrokavität, dass dieses mit Halbleitern interagiert und zur Entstehung von Cavity Exciton Polaritonen führt", erzählte Can-Ming Hu, der Forscher, der die Studie leitete, Phys.org. "Dies führte zur Erfindung von Polariton-Lasern mit überragender Leistung, die die Lasertechnologie der Festkörper verändert haben. Zwei Jahrzehnte später entdeckte die Magneten-Community durch Einschränkung von Mikrowellen in einer Kavität Cavity Magnon Polariton und ließ ein Halbphoton- und Halbmagnon-Quasiteilchen entstehen, das erstmals 1955 von Joe Artman und Peter Tannenwald am MIT entdeckt wurde und bis vor kurzem weitgehend unbemerkt blieb."

Drahtlose Kommunikation und Quanteninformationstechnologien erfordern kohärente On-Chip-Mikrowellensender. Ausgehend von diesem Bedarf wollten Hu und sein Team die potenzielle Verwendung von Cavity-Magnon-Polaritonen zur Erzielung einer hochwertigen Mikrowellenemission und Verstärkung untersuchen.

"Fasziniert von der Ähnlichkeit zwischen Cavity Magnon Polariton und Cavity Exciton Polariton wurde ich neugierig, ob uns das Cavity Magnon Polariton helfen könnte, bessere Festkörpermikrowellenquellen zu entwickeln", sagte Hu. "Also startete meine Gruppe im Jahr 2015 eine Studie zur Erforschung der Mikrowellenemission von Cavity Magnon Polaritonen."

Die Forscher wollten ursprünglich ein Licht-Materie-gekoppeltes System auf Basis von Cavity Magnon Polaritonen für die kohärente Mikrowellenemission schaffen. Letztendlich hofften sie, eine höhere Leistung als die in früheren Arbeiten berichteten zu erreichen und gleichzeitig die Stabilität und Kontrollierbarkeit ihres Geräts als hybrides Licht-Materie-gekoppeltes System aufrechtzuerhalten.

"Zunächst folgten wir dem Prinzip, das 1920 vom niederländischen Physiker van der Pol vorgeschlagen wurde: Durch die Verwendung von nichtlinearem Dämpfungsgewicht kann man in einem verstärkten oszillierenden System einen stabilen Gain-getriebenen Hohlraum entwerfen und optimieren", erklärte Bimu Yao, ein außerordentlicher Professor aus der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der diese Studie an der Universität Manitoba durchführte, Phys.org. "Dann platzierten wir ein magnetisches Material in diesen verstärkten Mikrowellenhohlraum und ließen die verstärkten Mikrowellen stark mit Magnonen interagieren."

Die starke Interaktion zwischen verstärkten Mikrowellen und Magnonen im System der Forscher produziert einen neuen Typ von Polariton, den sie als "Gain-driven" Polariton bezeichneten. Im Vergleich zu konventionellen Polaritonen, die in früheren Studien realisiert wurden, hat dieser Gain-driven-Polariton eine stabile Phase, die wiederum die kohärente Emission von Mikrowellenphotonen ermöglicht.

"Seit Jahrzehnten arbeitet die Magnetismus-Community an Spin-Toque-Oszillatoren (STO), einem Festkörpergerät, das Magnonen verwendet, um kohärente Mikrowellen zu erzeugen", erklärte Yongsheng Gui, ein Forschungsassistent an der Universität von Manitoba, der die Studie durchgeführt hat, Phys.org. "Die größte Hürde besteht darin, dass die Emissionsleistung des STO typischerweise auf weniger als 1 nW begrenzt ist. Die Ausgabe unseres Geräts ist eine Million Mal leistungsfähiger und der Emissionsqualitätsfaktor tausendmal besser als bei STOs."

In ersten Bewertungen erzielte ein von diesem Forschungsteam entwickeltes Proof-of-Principle-Gerät bemerkenswerte Ergebnisse und übertrifft sowohl STOs als auch früher entwickelte Festkörpermaser. Masers sind Geräte, die die stimulierte Emission von Strahlung durch Atome zur Verstärkung oder Erzeugung von Mikrowellenstrahlung nutzen.

"Außerhalb der Magnetismus-Community gab es vielfältige Bemühungen zur Entwicklung von Masern", sagte Gui. "Im Vergleich zum besten Festkörpermaser ist die Ausgabe unseres Geräts eine Milliarde Mal leistungsfähiger, bei vergleichbarem Emissionsqualitätsfaktor."

The new gain-driven polariton realized by Hu and his colleagues could open exciting new possibilities for the development of highly performing solid-state microwave sources that can be integrated on-chip. In addition to their compact sizes, these polariton microwave sources are frequency tunable due to the fabulous controllability of light-matter interaction. They could ultimately be integrated in a broad range of technologies and devices, including wireless communication systems and quantum computers.

'As the physics of gain-driven light-matter interaction is new, our study may also lead to new discoveries beyond microwave applications,' Hu added. 'We have now submitted a patent application, and my students are working on developing prototype devices together with industry partners.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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