Un dispositivo ad alta prestazione per l'emissione e l'amplificazione coerente delle microonde basate su polaritoni.

5 maggio 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Quando la luce interagisce fortemente con la materia, può produrre dei particolari quasi-particelle chiamati polaritoni, che sono metà luce e metà materia. Negli ultimi decenni, i fisici hanno esplorato la realizzazione di polaritoni in cavità ottiche e il loro valore per lo sviluppo di laser altamente performanti o di altre tecnologie. 

Ricercatori dell'Università di Manitoba hanno recentemente sviluppato un dispositivo altamente performante basato su polaritoni di magnoni in cavità che può emettere e amplificare microonde. Questo dispositivo, presentato in Physical Review Letters, è stato trovato notevolmente più performante dei dispositivi a stato solido precedentemente proposti per l'emissione e l'amplificazione coerente di microonde a temperatura ambiente.

'Nel 1992, Claude Weisbush, un fisico dei semiconduttori francese che lavorava in Giappone, ha scoperto il polaritone di eccitazione di cavità confinando la luce in una microcavità quantistica per interagire con i semiconduttori', ha detto a Phys.org Can-Ming Hu, il ricercatore che ha diretto lo studio. 'Ciò ha portato all'invenzione di laser a polaritoni con prestazioni superiori che hanno trasformato la tecnologia laser a stato solido. Due decenni dopo, la comunità della magnetismo ha riscoperto il polaritone di magnone di cavità confinando le microonde in una cavità per interagire con materiali magnetici, come una quasi-particella a metà fotone e metà magnone scoperta per la prima volta da Joe Artman e Peter Tannenwald nel 1955 al MIT, che è rimasta in gran parte ignorata fino a poco tempo fa'.

La comunicazione wireless e le tecnologie dell'informazione quantistica richiedono sorgenti di microonde coerenti on-chip. Motivato da questa esigenza, Hu e i suoi colleghi hanno deciso di esplorare il potenziale uso di polaritoni di magnoni di cavità per ottenere un'alta qualità di emissione e amplificazione di microonde.

'Intrigato dalla somiglianza tra polaritoni di magnoni di cavità ed eccitoni di polaritoni di cavità, mi sono incuriosito se il polaritone di magnone di cavità potesse aiutarci a realizzare migliori sorgenti di microonde a stato solido', ha detto Hu. 'Così, nel 2015, il mio gruppo ha avviato uno studio per esplorare l'emissione di microonde di polaritoni di magnoni di cavità'.

Inizialmente, i ricercatori hanno cercato di creare un sistema accoppiato luce-materia basato su polaritoni di magnoni di cavità per l'emissione coerente di microonde. In definitiva, speravano di raggiungere una maggiore performance rispetto a quelle riportate nei lavori precedenti, mantenendo al contempo la stabilità e la controllabilità del loro dispositivo come sistema accoppiato ibrido luce-materia.

'Innanzitutto, seguendo il principio proposto nel 1920 dal fisico olandese van der Pol: utilizzando l'ammortizzazione non lineare per bilanciare il guadagno in un sistema oscillatorio amplificato, si può progettare e ottimizzare una cavità stazionaria a guida di guadagno stabile', ha detto a Phys.org Bimu Yao, professore associato dell'Accademia Cinese delle Scienze che ha condotto questo studio all'Università di Manitoba. 'Poi, abbiamo posto un materiale magnetico in una tale cavità guidata dal guadagno delle microonde, lasciando che le microonde amplificate interagissero fortemente con i magnoni'.

La forte interazione tra le microonde amplificate e i magnoni nel sistema dei ricercatori produce un nuovo tipo di polaritone, che hanno chiamato polaritone 'guidato dal guadagno'. Rispetto ai polaritoni convenzionali realizzati negli studi precedenti, questo polaritone guidato dal guadagno ha una fase stabile, che a sua volta consente l'emissione coerente di fotoni di microonde.

'Per decenni, la comunità del magnetismo ha lavorato su oscillator a spin-toque (STO), che è un dispositivo a stato solido che utilizza i magnoni per produrre microonde coerenti', ha detto a Phys.org Yongsheng Gui, ricercatore associato presso l'Università di Manitoba che ha condotto lo studio. 'Il principale ostacolo è che la potenza di emissione dello STO è tipicamente limitata a meno di 1 nW. L'uscita del nostro dispositivo è un milione di volte più potente e il fattore di qualità di emissione è mille volte migliore'.

Nelle valutazioni iniziali, un dispositivo di prova creato da questo team di ricercatori ha raggiunto risultati notevoli, superando sia gli STO che i maser a stato solido sviluppati in passato. I maser sono dispositivi che utilizzano l'emissione stimolata di radiazione da parte degli atomi per amplificare o generare radiazioni microonde.

'Al di fuori della comunità del magnetismo, ci sono stati diversi sforzi per lo sviluppo di maser', ha detto Gui. 'Rispetto al miglior maser a stato solido, l'uscita del nostro dispositivo è un miliardo di volte più potente, con un fattore di qualità di emissione comparabile'.

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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