Un dispositif hautement performant pour l'émission et l'amplification cohérentes de micro-ondes à base de polariton.

5 mai 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Quand 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 ou d'autres technologies très performantes.

Des chercheurs de l'Université du Manitoba ont récemment mis au point un dispositif très performant basé sur des polaritons magnon de cavité qui peut émettre et amplifier des micro-ondes. Ce dispositif, présenté dans Physical Review Letters, s'est avéré nettement plus performant que les dispositifs à semi-conducteurs précédemment proposés pour l'émission et l'amplification cohérentes de micro-ondes à température ambiante.

'En 1992, Claude Weisbush, un physicien des semi-conducteurs français travaillant au Japon, a découvert l'exciton de cavité polariton en confinant la lumière dans une microcavité quantique pour interagir avec des semi-conducteurs', a déclaré à phys.org Can-Ming Hu, le chercheur qui a dirigé l'étude. 'Cela a conduit à l'invention de lasers à polariton plus performants qui ont transformé la technologie des lasers à semi-conducteurs. Deux décennies plus tard, la communauté de la magnétisme a redécouvert le polariton magnon de cavité en confinant des micro-ondes dans une cavité pour interagir avec des matériaux magnétiques, tel qu'un quasi-particule à demi photon et à demi magnon a été découvert pour la première fois par Joe Artman et Peter Tannenwald en 1955 au MIT, qui est passé largement inaperçu jusqu'à récemment.'

La communication sans fil et les technologies de l'information quantique nécessitent des sources de micro-ondes cohérentes sur puce. Motivé par ce besoin, Hu et ses collègues ont entrepris d'explorer l'utilisation potentielle des polaritons magnon de cavité pour atteindre une émission et une amplification de micro-ondes de haute qualité.

'Intrigué par la ressemblance entre le polariton magnon de cavité et l'exciton de cavité polaritonnique, je suis devenu curieux de savoir si le polariton magnon de cavité pourrait nous aider à fabriquer de meilleures sources de micro-ondes à semi-conducteurs', a déclaré Hu. '"Ainsi, en 2015, mon groupe a lancé une étude pour explorer l'émission de micro-ondes des polaritons magnon de cavité."

Les chercheurs ont d'abord cherché à créer un système couplé lumière-matière basé sur des polaritons magnon de cavité pour une émission de micro-ondes cohérente. Ils espéraient finalement obtenir des performances supérieures à celles rapportées dans des travaux précédents, tout en conservant la stabilité et la contrôlabilité de leur dispositif en tant que système hybride couplé lumière-matière.

'Tout d'abord, nous avons suivi 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 pilotée par gain stable', a déclaré Yao Bimu, professeur associé de l'Académie chinoise des sciences qui a réalisé cette étude à l'Université du Manitoba, a déclaré à Phys.org. 'Ensuite, nous avons placé un matériau magnétique dans cette cavité de micro-ondes pilotée par gain, laissant les micro-ondes amplifiées interagir fortement avec les magnons.'

L'interaction forte entre les micro-ondes amplifiées et les magnons dans le système des chercheurs produit un nouveau type de polariton, qu'ils ont appelé polariton 'piloté par gain'. Par rapport aux polaritons conventionnels réalisés dans des études précédentes, ce polariton piloté par gain présente une phase stable, ce qui permet à son tour l'émission cohérente de photons de micro-ondes.

'Pendant des décennies, la communauté du magnétisme a travaillé sur l'oscillateur à couple de spin (STO), qui est un dispositif à semi-conducteurs qui utilise des magnons pour produire des micro-ondes cohérentes', a déclaré Yongsheng Gui, associé de recherche à l'Université du Manitoba qui a mené l'étude, a déclaré à Phys.org. 'L'obstacle majeur est que la puissance d'émission du STO est généralement limitée à moins de 1 nW. La sortie de notre dispositif est un million de fois plus puissante et le facteur de qualité d'émission est mille fois supérieur.'

Dans des évaluations initiales, un dispositif 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-ondes.

'En dehors de la communauté du magnétisme, il y a eu des efforts divers pour développer des masers', a déclaré Gui. 'Comparé au meilleur maser à semi-conducteurs, la sortie de notre dispositif est un milliard de fois plus puissante, avec un facteur de qualité d'émission 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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