一种高性能的基于偏振子的相干微波发射和放大的装置

在这个实验中，一个电压（电池）被施加到一个微波放大器（桃色块）。它驱动微波腔（灰条）中的光子（黄色）与磁子（紫色）发生强烈的相互作用，形成增益驱动的偏振子，进而发射出相干的微波。资料来源：B. M. Yao（论文第一作者），中国科学院。

当光与物质发生强烈的相互作用时，它可以产生独特的准粒子，称为偏振子，它们一半是光，一半是物质。近几十年来，物理学家们探索了在光腔中实现偏振子以及它们对开发高性能激光器或其他技术的价值。

马尼托巴大学的研究人员最近开发了一种基于空腔磁子极子的高性能设备，可以发射和放大微波。在《物理评论快报》上介绍的这个装置被发现大大超过了以前提出的在室温下相干微波发射和放大的固态装置。

"1992年，在日本工作的法国半导体物理学家Claude Weisbush通过将光限制在一个量子微腔中与半导体相互作用，发现了空腔激子极化子，"指导这项研究的研究员Can-Ming Hu告诉Phys.org。

"这导致了具有卓越性能的偏振子激光器的发明，它改变了固态激光技术。20年后，磁学界通过将微波限制在一个空腔中与磁性材料相互作用，重新发现了空腔磁子极子，这样一个半光子半磁子的准粒子是由乔-阿特曼和彼得-坦南瓦尔德于1955年在麻省理工学院首次发现的，直到最近才被基本注意到。"

无线通信和量子信息技术需要相干的片上微波源。在这一需求的激励下，Hu和他的同事们开始探索利用空腔磁子偏振子实现高质量微波发射和放大的可能性。

"由于对空腔磁子偏振子和空腔激子偏振子之间的相似性感到好奇，我开始好奇空腔磁子偏振子是否可能帮助我们制造更好的固态微波源，"胡说。"因此，在2015年，我的小组发起了一项研究，探索空腔木马子偏振子的微波发射。"

研究人员最初着手创建一个基于腔体磁子偏振子的光-物质耦合系统，用于相干微波发射。他们最终希望达到比以前的工作报告中更高的性能，同时保留他们的装置作为一个混合光-物质耦合系统的稳定性和可控性。

"首先，我们遵循荷兰物理学家van der Pol在1920年提出的原则：利用非线性阻尼来平衡放大的振荡系统中的增益，可以设计和优化一个稳定的增益驱动腔，"在曼尼托巴大学进行这项研究的中国科学院副教授姚必武告诉物理学会。"然后，我们在这样一个增益驱动的微波腔中设置了一种磁性材料，让放大的微波与磁子发生强烈的相互作用。"

在研究人员的系统中，放大的微波和磁子之间的强烈互动产生了一种新型的偏振子，他们称之为 "增益驱动 "偏振子。与以前研究中实现的传统极子相比，这种增益驱动的极子具有稳定的相位，这反过来又使微波光子的相干发射成为可能。

"几十年来，磁学界一直在研究自旋扭力振荡器（STO），这是一种利用磁子产生相干微波的固态装置，"开展这项研究的曼尼托巴大学副研究员桂永生告诉Phys.org。"主要的障碍是STO的发射功率通常被限制在1 nW以下。我们的设备的输出功率是它的一百万倍，而且发射质量系数是它的一千倍"。

在最初的评估中，这个研究小组创建的一个原理验证装置取得了显著的效果，超过了过去开发的STO和固态马斯克。乳化器是利用原子的刺激辐射来放大或产生微波辐射的装置。

"Gui说："在磁学界之外，已经有很多人在努力开发藏匿器。"与最好的固态激光器相比，我们的装置的输出功率要大10亿倍，发射质量系数也相当。

Hu和他的同事们实现的新的增益驱动极化子可以为开发可以集成在芯片上的高性能固态微波源开启令人兴奋的新的可能性。除了其紧凑的尺寸外，由于光-物质相互作用的神话般的可控性，这些偏振子微波源是可调谐频率的。它们最终可以被集成到广泛的技术和设备中，包括无线通信系统和量子计算机。

"由于增益驱动的光-物质相互作用的物理学是新的，我们的研究也可能导致微波应用以外的新发现，"Hu补充说。"我们现在已经提交了一份专利申请，我的学生正在与行业伙伴一起开发原型设备。"

参考资料：Bimu Yao et al, Coherent Microwave Emission of Gain-Driven Polaritons, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.146702

Can-Ming Hu, Dawn of Cavity Spintronics, arXiv (2015). DOI: 10.48550/arxiv.1508.01966

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