连接微波和光学领域的新型准粒子

图 1. 连接微波和光学领域的新型准粒子。资料来源：保罗-德鲁德研究所

在发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一篇论文中，来自德国柏林保罗-德鲁德研究所（Paul-Drude-Institut）和阿根廷巴里洛切巴尔塞罗研究所（Instituto Balseiro in Bariloche）的研究人员证明，光和 GHz 声音的密闭量子流体的混合导致了一种难以捉摸的声子准粒子的出现--它包含光量子（光子）、声量子（声子）和半导体激子。这一发现开辟了在光域和微波域之间进行信息相干转换的新途径，为光子学、光机械学和光通信技术领域带来了潜在的益处。

研究小组的工作从一个日常现象中汲取灵感：两个耦合振荡器之间的能量传递，例如由弹簧连接的两个摆。在特定的耦合条件（即强耦合（SC）机制）下，能量会在两个摆之间持续振荡，而这两个摆不再是独立的，因为它们的频率和衰减率与未耦合摆的频率和衰减率不同。振荡器也可以是光子或电子量子态：在这种情况下，SC 态是量子态控制和交换的基础。

在上述例子中，假定两个摆具有相同的频率，即共振。然而，混合量子系统需要在频率基本不同的振子之间进行相干信息传输。量子计算机网络就是一个重要的例子。最有前途的量子计算机使用微波量子比特（即几千兆赫）运行，而量子信息则使用近红外光子（100ds THz）高效传输。

因此，我们需要在这些域之间实现量子信息的双向和相干传输。在许多情况下，微波量子比特和光子之间的直接转换效率非常低。在这种情况下，一种替代方法是通过第三种粒子来介导转换，这种粒子可以有效地与微波量子比特和光子耦合。晶格的 GHz 振动（声子）就是一个很好的候选粒子。

图 2. 资料来源：保罗-德鲁德研究所

凯尔迪什和伊万诺夫于 1982 年为光和声子之间的 SC 奠定了理论基础，他们预言半导体晶体可以通过另一种准粒子：激子-极化子混合光子和声子。极化子产生于光子和激子之间的强耦合。当声子发挥作用时，它可以耦合两个极化子振荡器，两个振荡器的频率相差正好是声子的频率。如果耦合足够大，即在 SC 状态下，就会形成一种新的准粒子--声子，它是激子、光子和声子的混合物。

然而，由于声子的出现需要严格的实验条件，有关声子形成的报道寥寥无几。除了发现这种新的基本半导体激发具有重要的科学意义之外，声里子还可以成为相干微波到光学频率转换的一种新的有前途的中间体。

在他们的工作中，Alexander Kuznetsov 及其同事在图 2(a)所示的图案化微腔谐振器中产生了极化子。微腔内微米大小的较厚区域既是 370 太赫兹极化子的混合陷阱，也是 5 至 20 千兆赫声子的混合陷阱。这种捕获增强了两种粒子之间的多方面相互作用，而这正是声子形成的重要条件。

通过光学方法将更多的极化子注入陷阱，研究小组产生了两个极化子凝聚体，其特点是发射线非常明亮，光谱非常窄（亚千兆赫）。与传统激光不同，极化子具有很强的粒子间相互作用，因此被称为光的 "量子流体"。由于这些相互作用，可以通过使用外部激光控制两种光流体的密度来精确调节它们之间的能量分裂。

当能量分裂与声子能量相匹配时，两种极化子流体就会同步，见图 2(b)。这种同步现象是由于非线性的极化子-极化子相互作用以及以声子的吸收和发射为媒介的极化子在光流体之间的有效传递。研究发现，声子诱导的极化子态之间的耦合超过了它们的衰减率，这标志着声子的出现。

随后，作者在微腔顶部和陷波器周围制作了一个压电换能器，用微波控制装置并向陷波器注入 7 GHz 声子。如图 2(c)所示，在注入声子的作用下，声里子频谱转变为窄共振（或声子边带）组合。

中心峰左侧（右侧）的边带与声子的相干发射（吸收）相对应，从而证明了微波到光学的双向转换。有趣的是，与声子直接与光子相互作用且相互作用强度仅取决于光子数量的传统光机械系统不同，这里的相互作用同时与极化子和声子数量成比例。

总之，库兹涅佐夫及其同事的研究工作调整了图案化半导体微腔的光子、电子和声子共振，展示了半导体系统中的声子以及相干双向微波-光转换。

参考资料

Alexander Sergeevich Kuznetsov et al, Microcavity phonoritons—a coherent optical-to-microwave interface, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40894-7