Un dispositivo altamente eficiente para la emisión y amplificación coherente de microondas basada en polaritones.

5 de mayo de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, de Phys.org

Cuando la luz interactúa fuertemente con la materia, puede producir quasi-partículas únicas llamadas polaritones, que son mitad luz y mitad materia. En las últimas décadas, los físicos han explorado la realización de polaritones en cavidades ópticas y su valor para el desarrollo de láseres de alto rendimiento o de otras tecnologías. 

Recientemente, los investigadores de la Universidad de Manitoba desarrollaron un dispositivo de alto rendimiento basado en polaritones de magnón de cavidad que puede emitir y amplificar microondas. Este dispositivo, presentado en Physical Review Letters, se encontró que supera significativamente los dispositivos de estado sólido previamente propuestos para la emisión coherente de microondas y la amplificación a temperatura ambiente.

'En 1992, Claude Weisbush, un físico francés de semiconductores que trabajaba en Japón, descubrió el polaritón excitón de cavidad al confinar la luz en una microcavidad cuántica para interactuar con semiconductores'", dijo a Phys.org Can-Ming Hu, el investigador que dirigió el estudio. "Esto llevó a la invención de láseres polaritónicos con un rendimiento superior que han transformado la tecnología láser de estado sólido. Dos décadas después, la comunidad de la magnetismo redescubrió el polaritón de magnón de cavidad al confinar microondas en una cavidad para interactuar con materiales magnéticos, como una quasi-partícula de mitad fotón y mitad magnón descubierto por Joe Artman y Peter Tannenwald en 1955 en el MIT, que pasó desapercibida hasta hace poco".

Las tecnologías de información cuántica y comunicaciones inalámbricas requieren fuentes coherentes de microondas en chip. Motivados por esta necesidad, Hu y sus colegas se propusieron explorar el uso potencial de los polaritones de magnón de cavidad para lograr una emisión y amplificación de microondas de alta calidad.

"Intrigado por la similitud entre el polaritón de magnón de cavidad y el polaritón excitón de cavidad, me sorprendió saber si el polaritón de magnón de cavidad podría ayudarnos a hacer mejores fuentes de microondas de estado sólido", dijo Hu. "Así que, en 2015, mi grupo inició un estudio para explorar la emisión de microondas en polaritones de magnón de cavidad".

Los investigadores inicialmente se propusieron crear un sistema acoplado luz-materia basado en polaritones de magnón de cavidad para la emisión coherente de microondas. En última instancia, esperaban lograr un rendimiento superior a los informados en trabajos anteriores, mientras mantenían la estabilidad y la controlabilidad de su dispositivo como un sistema híbrido acoplado luz-materia.

"En primer lugar, seguimos el principio propuesto en 1920 por el físico holandés van der Pol: utilizando el amortiguamiento no lineal para equilibrar la ganancia en un sistema oscilatorio amplificado, se puede diseñar y optimizar una cavidad de ganancia estable", dijo Bimu Yao, profesor asociado de la Academia China de Ciencias que llevó a cabo este estudio en la Universidad de Manitoba. "Luego, colocamos un material magnético en esta cavidad de microondas impulsada por la ganancia, permitiendo que las microondas amplificadas interactúen fuertemente con los magnones".

La fuerte interacción entre las microondas amplificadas y los magnones en el sistema de los investigadores produce un nuevo tipo de polaritón, que llamaron un polaritón impulsado por la ganancia. En comparación con los polaritones convencionales realizados en estudios previos, este polaritón impulsado por la ganancia tiene una fase estable, lo que a su vez permite la emisión coherente de fotones de microondas.

"Durante décadas, la comunidad magnética ha estado trabajando en el oscilador de spin-toque (STO), que es un dispositivo de estado sólido que utiliza magnones para producir microondas coherentes", dijo a Phys.org Yongsheng Gui, un asociado de investigación en la Universidad de Manitoba que llevó a cabo el estudio. "El obstáculo principal es que la potencia de emisión del STO es típicamente limitada a menos de 1 nW. La salida de nuestro dispositivo es un millón de veces más potente, y el factor de calidad de emisión es mil veces mejor".

En evaluaciones iniciales, un dispositivo de prueba creado por este equipo de investigadores logró resultados notables, superando tanto los STO como los maser de estado sólido desarrollados en el pasado. Los masers son dispositivos que utilizan la emisión estimulada de radiación por átomos para amplificar o generar radiación de microondas.

"Fuera de la comunidad magnética, ha habido diversos esfuerzos para desarrollar masers", dijo Gui. "En comparación con el mejor maser de estado sólido, la salida de nuestro dispositivo es mil millones de veces más potente, con un factor de calidad de emisión comparable".

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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