El láser, la emisión de un haz de luz colimada con una longitud de onda (color) y una fase bien definidas, es el resultado de un proceso de autoorganización. en el que una colección de centros de emisión se sincroniza para producir partículas de luz idénticas (fotones). Un fenómeno de sincronización autoorganizado similar también puede conducir a la generación de vibraciones coherentes:un láser de fonón, donde phonon denota, en analogía con los fotones, las partículas cuánticas del sonido.

El láser de fotones se demostró por primera vez hace aproximadamente 60 años y, casualmente, 60 años después de su predicción por Albert Einstein. Esta emisión estimulada de luz amplificada encontró un número sin precedentes de aplicaciones científicas y tecnológicas en múltiples áreas.

Aunque el concepto de "láser de sonido" se predijo casi al mismo tiempo, Hasta el momento, solo se han informado pocas implementaciones y ninguna ha alcanzado la madurez tecnológica. Ahora, una colaboración entre investigadores del Instituto Balseiro y Centro Atómico en Bariloche (Argentina) y Paul-Drude-Institut en Berlín ha introducido un enfoque novedoso para la generación eficiente de vibraciones coherentes en el rango de las decenas de GHz utilizando estructuras semiconductoras. Curiosamente, esta aproximación a la generación de fonones coherentes se basa en otra de las predicciones de Einstein:la del quinto estado de la materia, un condensado de Bose-Einstein (BEC) de partículas de materia ligera acopladas (polaritones).

El polariton BEC se crea en una trampa microestructurada de una microcavidad semiconductora que consta de centros electrónicos intercalados entre reflectores Bragg distribuidos (DBR) diseñados para reflejar luz de la misma energía ℏωC emitida por los centros (cf. Fig. 1a). Cuando es excitado ópticamente por un haz de luz con una energía diferente ℏωL, para los que el DBR es transparente, los estados electrónicos de los centros emiten partículas de luz (fotones) a la energía ℏωC, que se reflejan en los DBR. Los fotones son luego reabsorbidos nuevamente por los centros. La secuencia rápida y repetitiva de eventos de emisión y reabsorción hace que sea imposible distinguir si la energía se almacena en un estado electrónico o fotónico. Más bien se dice que la mezcla entre los estados crea una nueva, partícula de materia ligera, llamado polariton. Es más, bajo una alta densidad de partículas (y ayudado por la localización espacial inducida por la trampa), los polaritones entran en un estado autoorganizado similar a los fotones en un láser, donde todas las partículas se sincronizan para emitir luz con la misma energía y fase:un láser BEC de polaritón. La firma característica del polaritón BEC es una línea espectral muy estrecha ilustrada por la curva azul en la Fig. 1b, que se puede detectar midiendo la radiación evanescente que escapa de la microcavidad.

Otra propiedad interesante de los espejos de microcavidad (DBR) usados ​​es la capacidad de reflejar no solo vibraciones ópticas (luz) sino también mecánicas (sonido) dentro de un rango específico de longitudes de onda. Como consecuencia, una microcavidad típica de AlGaAs para fotones en el infrarrojo cercano también confina cuantos de vibraciones (fonones) con la energía ℏωa correspondiente a la frecuencia de oscilación ωa / 2p de aproximadamente 20 GHz. Como la reflexión de fotones por los DBR proporciona la retroalimentación necesaria para la formación de un BEC polaritón, La reflexión de fonones conduce a una acumulación de la población de fonones, así como a una mejora de la interacción de fonones con el polaritón BEC.

¿Cómo ocurre la interacción entre polaritones y fonones? Como aire en un neumático una alta densidad de polaritones condensados ​​ejerce una presión sobre los espejos de la microcavidad, que puede disparar y sostener oscilaciones mecánicas a la frecuencia de los fonones confinados. Estas oscilaciones respiratorias modifican las dimensiones de la microcavidad, actuando así sobre el polariton BEC. Es esta interacción optomecánica acoplada la que da lugar a la emisión coherente de sonido por encima de una densidad de polaritones crítica. Una huella dactilar de esta emisión coherente de fonones es la autopulsación de la emisión BEC bajo excitación continua por un láser con la energía ℏωL. Este autoimpulso se identifica por la aparición de fuertes bandas laterales alrededor de la emisión de polaritón BEC desplazada por los múltiplos de la energía del fonón ℏωa (cf. la curva roja en la Fig. 1b).

El análisis de la amplitud de las bandas laterales en la Fig. 1b muestra que cientos de miles de fonones monocromáticos pueblan el estado vibratorio resultante y se emiten hacia el sustrato como un rayo láser de fonón coherente de 20 GHz. Una característica esencial del diseño es la estimulación de los fonones mediante un emisor de luz interno monocromático y de alta intensidad, el polaritón BEC, que puede excitarse no solo ópticamente sino también eléctricamente. como en un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Es más, Se pueden lograr frecuencias de fonones más altas mediante modificaciones apropiadas del diseño de la microcavidad. Las aplicaciones potenciales del láser de fonón incluyen el control coherente de los haces de luz, emisores cuánticos, y puertas en dispositivos de comunicación e información cuántica, así como conversión bidireccional de luz a microondas en un rango de frecuencia muy amplio de 20-300 GHz relevante para las tecnologías de redes futuras.