La amplificación del sonido por emisión estimulada de radiación ( SASER ) se refiere a un dispositivo que emite radiación acústica. [1] Enfoca las ondas sonoras de manera que puedan servir como portadores de información precisos y de alta velocidad en muchos tipos de aplicaciones, similares a los usos de la luz láser . [ cita necesaria ]
La radiación acústica ( ondas sonoras ) se puede emitir mediante el proceso de amplificación del sonido basado en la emisión estimulada de fonones . El sonido (o vibración reticular) puede describirse mediante un fonón del mismo modo que la luz puede considerarse fotones y, por lo tanto, se puede afirmar que SASER es el análogo acústico del láser. [ cita necesaria ]
En un dispositivo SASER, una fuente (por ejemplo, un campo eléctrico como una bomba) produce ondas sonoras (vibraciones reticulares, fonones) que viajan a través de un medio activo. En este medio activo, una emisión estimulada de fonones conduce a una amplificación de las ondas sonoras, lo que da como resultado un haz de sonido que sale del dispositivo. Los haces de ondas sonoras emitidos por estos dispositivos son muy coherentes .
Los primeros SASER exitosos se desarrollaron en 2009. [2] [3]
En lugar de una onda de radiación electromagnética generada por retroalimentación (es decir, un rayo láser ), un SASER emite una onda de sonido. SASER también puede denominarse láser de fonones , láser acústico o láser de sonido . [ cita necesaria ]
Los SASER podrían tener amplias aplicaciones. Además de facilitar la investigación de ultrasonidos de frecuencia de terahercios, es probable que el SASER también encuentre usos en optoelectrónica (dispositivos electrónicos que detectan y controlan la luz, como método para transmitir una señal de un extremo al otro de, por ejemplo, fibra óptica). ), como método de modulación y/o transmisión de señales. [4]
Estos dispositivos podrían ser instrumentos de medición de alta precisión y podrían generar un sonido enfocado de alta energía.
El uso de SASER para manipular electrones dentro de semiconductores podría, en teoría, dar como resultado procesadores de computadora con una frecuencia de terahercios, mucho más rápidos que los chips actuales. [5]
Este concepto puede ser más concebible si lo imaginamos en analogía con la teoría del láser. Theodore Maiman operó el primer LÁSER en funcionamiento el 16 de mayo de 1960 en Hughes Research Laboratories, Malibu, California, [6] Un dispositivo que funciona de acuerdo con la idea central de la teoría de la "amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación" es el láser termoacústico . Se trata de un tubo semiabierto con un diferencial de calor a través de un material poroso especial insertado en el tubo. Al igual que un láser ligero, un SASER termoacústico tiene una cavidad de alta Q y utiliza un medio de ganancia para amplificar ondas coherentes. Para mayor explicación ver motor térmico termoacústico .
La posibilidad de la acción del láser de fonones se había propuesto en una amplia gama de sistemas físicos como la nanomecánica, los semiconductores , los nanoimanes y los iones paramagnéticos en una red. [7] [8]
Para el desarrollo del SASER fue necesario encontrar materiales que estimularan las emisiones. La generación de fonones coherentes en una heteroestructura semiconductora de doble barrera se propuso por primera vez alrededor de 1990. [9] La transformación de la energía potencial eléctrica en un modo vibratorio de la red se ve notablemente facilitada por el confinamiento electrónico en una estructura de doble barrera. Sobre esta base, los físicos buscaban materiales en los que la emisión estimulada, en lugar de la emisión espontánea, fuera el proceso de descomposición dominante. En 2009 se demostró por primera vez experimentalmente un dispositivo en el rango de Gigahertz. [10]
Anunciado en 2010, dos grupos independientes idearon dos dispositivos diferentes que producen fonones coherentes en cualquier frecuencia en el rango de megahercios a terahercios. Un grupo de la Universidad de Nottingham estaba formado por AJ Kent y sus colegas RP Beardsley, AV Akimov, W. Maryam y M. Henini. El otro grupo del Instituto Tecnológico de California (Caltech), formado por Ivan S. Grudinin, Hansuek Lee, O. Painter y Kerry J. Vahala de Caltech, implementaron un estudio sobre la acción del láser Phonon en un sistema sintonizable de dos niveles. El dispositivo de la Universidad de Nottingham opera a aproximadamente 440 GHz, mientras que el dispositivo de Caltech opera en el rango de megahercios. Según un miembro del grupo de Nottingham, los dos enfoques son complementarios y debería ser posible utilizar uno u otro dispositivo para crear fonones coherentes en cualquier frecuencia en el rango de megahercios a terahercios. [11] Un resultado significativo surge de la frecuencia de funcionamiento de estos dispositivos. Las diferencias entre los dos dispositivos sugieren que se podría hacer que los SASER funcionen en una amplia gama de frecuencias.
El trabajo en SASER continúa en la Universidad de Nottingham, el Instituto Lashkarev de Física de Semiconductores de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania y Caltech.
En 2023, los investigadores, utilizando una trampa de Paul, convencieron a dos iones para que formaran un láser de fonones que contenía menos de 10 fonones, colocándolo firmemente en el régimen cuántico, mientras que los láseres de fonones anteriores tenían al menos 10.000 fonones. [12] [13]
La idea central de SASER se basa en las ondas sonoras. La configuración necesaria para implementar la amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación es similar a la de un oscilador. Un oscilador puede producir oscilaciones sin ningún mecanismo de alimentación externo. Un ejemplo es un sistema de amplificación de sonido común con micrófono, amplificador y altavoz. Cuando el micrófono está delante del altavoz, escuchamos un silbido molesto. Este silbido se genera sin contribución adicional de la fuente de sonido, y se refuerza a sí mismo y es autosuficiente mientras el micrófono se encuentra en algún lugar delante del altavoz. Este fenómeno, conocido como efecto Larsen , es el resultado de una retroalimentación positiva.
En general, cada oscilador consta de tres partes principales. Estos son la fuente de energía o bomba, el amplificador y la retroalimentación positiva que conduce a la salida. Las partes correspondientes en un dispositivo SASER son el mecanismo de excitación o bombeo, el medio activo (amplificador) y la retroalimentación que conduce a la radiación acústica. El bombeo se puede realizar, por ejemplo, con un campo eléctrico alterno o con algunas vibraciones mecánicas de resonadores. El medio activo debe ser un material en el que se pueda inducir la amplificación del sonido. Un ejemplo de mecanismo de retroalimentación en el medio activo es la existencia de capas de superred que reflejan los fonones y los obligan a rebotar repetidamente para amplificar el sonido.
Por lo tanto, para comprender el diseño de SASER debemos imaginarlo en analogía con un dispositivo láser . En un láser, el medio activo se coloca entre dos superficies especulares (reflectores) de un interferómetro Fabry-Pérot . Un fotón emitido espontáneamente dentro de este interferómetro puede obligar a los átomos excitados a desintegrar un fotón de la misma frecuencia, el mismo momento, la misma polarización y la misma fase. Debido a que el impulso (como vector) del fotón es casi paralelo a los ejes de los espejos, es posible que los fotones repitan múltiples reflejos y obliguen a más y más fotones a seguirlos, produciendo un efecto de avalancha. El número de fotones de este rayo láser coherente aumenta y compite con el número de fotones que mueren debido a las pérdidas. La condición básica necesaria para la generación de una radiación láser es la inversión de población , que puede lograrse excitando átomos e induciendo percusión o mediante absorción de radiación externa. Un dispositivo SASER imita este procedimiento utilizando una bomba fuente para inducir un haz de sonido de fonones. Este haz de sonido no se propaga en una cavidad óptica, sino en otro medio activo. Un ejemplo de medio activo es la superred. Una superred puede constar de múltiples redes ultrafinas de dos semiconductores diferentes . Estos dos materiales semiconductores tienen diferentes bandas prohibidas y forman pozos cuánticos , que son pozos potenciales que confinan a las partículas a moverse en dos dimensiones en lugar de tres, obligándolas a ocupar una región plana. En la superred, se compone un nuevo conjunto de reglas de selección que afectan las condiciones de flujo de cargas a través de la estructura. Cuando esta configuración es excitada por una fuente, los fonones comienzan a multiplicarse mientras se reflejan en los niveles de la red, hasta que escapan de la estructura de la red en forma de un haz de fonones de frecuencia ultraalta.
Es decir, una emisión concertada de fonones puede dar lugar a un sonido coherente y un ejemplo de emisión concertada de fonones es la emisión procedente de pozos cuánticos. Este se encuentra en caminos similares al láser, donde se puede generar una luz coherente mediante la emisión coordinada y estimulada de luz de muchos átomos . Un dispositivo SASER transforma la energía potencial eléctrica en un único modo vibratorio de la red (fonón). [14]
El medio donde se produce la amplificación consta de pilas de finas capas de semiconductores que juntas forman pozos cuánticos. En estos pozos, los electrones pueden excitarse mediante paquetes de ultrasonido de milielectronvoltios de energía. Esta cantidad de energía equivale a una frecuencia de 0,1 a 1 THz.
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Así como la luz es un movimiento ondulatorio que se considera compuesto de partículas llamadas fotones, podemos pensar que los modos normales de vibración en un sólido son similares a partículas. El cuanto de vibración reticular se llama fonón . En dinámica reticular queremos encontrar los modos normales de vibración de un cristal. En otras palabras, necesitamos calcular las energías (o frecuencias) de los fonones en función de sus vectores de onda k . La relación entre la frecuencia ω y el vector de onda k se llama dispersión de fonones.
La luz y el sonido son similares en varios aspectos. Ambos pueden considerarse en términos de ondas y ambos vienen en unidades de mecánica cuántica. En el caso de la luz tenemos fotones mientras que en el sonido tenemos fonones. Tanto el sonido como la luz pueden producirse como colecciones aleatorias de cuantos (por ejemplo, la luz emitida por una bombilla) u ondas ordenadas que viajan de forma coordinada (por ejemplo, la luz láser ). Este paralelismo implica que los láseres deberían ser tan factibles con sonido como lo son con luz. En el siglo XXI, es fácil producir sonido de baja frecuencia en el rango que los humanos pueden oír (~20 kHz), ya sea de forma aleatoria u ordenada. Sin embargo, en las frecuencias de terahercios en el régimen de aplicaciones de láser de fonones , surgen más dificultades. El problema surge del hecho de que el sonido viaja mucho más lento que la luz. Esto significa que la longitud de onda del sonido es mucho más corta que la de la luz en una frecuencia determinada. En lugar de generar fonones ordenados y coherentes, las estructuras láser que pueden producir sonido de terahercios tienden a emitir fonones de forma aleatoria. Los investigadores han superado el problema de las frecuencias de terahercios siguiendo varios enfoques. Los científicos de Caltech han superado este problema ensamblando un par de cavidades microscópicas que sólo permiten emitir frecuencias específicas de fonones. Este sistema también se puede sintonizar para emitir fonones de diferentes frecuencias cambiando la separación relativa de las microcavidades. Por otro lado, el grupo de la Universidad de Nottingham adoptó un enfoque diferente. Han construido su dispositivo a partir de electrones que se mueven a través de una serie de estructuras conocidas como pozos cuánticos. Brevemente, cuando un electrón salta de un pozo cuántico a otro vecino, produce un fonón.
El bombeo de energía externa (por ejemplo, un haz de luz o voltaje) puede ayudar a la excitación de un electrón. La relajación de un electrón de uno de los estados superiores puede ocurrir mediante la emisión de un fotón o un fonón. Esto está determinado por la densidad de estados de fonones y fotones. La densidad de estados es el número de estados por unidad de volumen en un intervalo de energía ( E , E + dE ) que están disponibles para ser ocupados por electrones . Tanto los fonones como los fotones son bosones y, por tanto, obedecen a la estadística de Bose-Einstein . Esto significa que, dado que los bosones con la misma energía pueden ocupar el mismo lugar en el espacio, los fonones y los fotones son partículas portadoras de fuerza y tienen espines enteros. Hay más estados permitidos disponibles para su ocupación en un campo de fonones que en un campo de fotones. Por lo tanto, dado que la densidad de estados terminales en el campo de fonones excede la de un campo de fotones (hasta ~10 5 ), la emisión de fonones es, con diferencia, el evento más probable. [15] [16] También podríamos imaginar un concepto en el que la excitación de un electrón conduce brevemente a la vibración de la red y, por tanto, a la generación de fonones. La energía de vibración de la red puede tomar valores discretos para cada excitación. Cada uno de estos "paquetes de excitación" se llama fonón. Un electrón no permanece en estado excitado por mucho tiempo. Libera energía fácilmente para volver a su estado estable de baja energía. Los electrones liberan energía en cualquier dirección aleatoria y en cualquier momento (después de su excitación). En algunos momentos particulares, algunos electrones se excitan mientras que otros pierden energía de manera que la energía promedio del sistema sea la más baja posible.
Bombeando energía al sistema podemos lograr una inversión poblacional. Esto significa que hay más electrones excitados que electrones en el estado de menor energía del sistema. A medida que el electrón libera energía (por ejemplo, un fonón), interactúa con otro electrón excitado para liberar también su energía. Por lo tanto, tenemos una emisión estimulada, lo que significa que se libera mucha energía (p. ej., radiación acústica, fonones) al mismo tiempo. Se puede mencionar que la emisión estimulada es un procedimiento donde tenemos una emisión espontánea y una inducida al mismo tiempo. La emisión inducida proviene del procedimiento de bombeo y luego se suma a la emisión espontánea.
Un dispositivo SASER debe consistir en un mecanismo de bombeo y un medio activo. El proceso de bombeo puede ser inducido, por ejemplo, mediante un campo eléctrico alterno o con algunas vibraciones mecánicas de resonadores, seguido de una amplificación acústica en el medio activo. El hecho de que un SASER funcione con principios notablemente similares a los de un láser puede facilitar la comprensión de las circunstancias operativas relevantes. En lugar de una potente onda de radiación electromagnética generada por retroalimentación, un SASER emite una potente onda de sonido. Hasta ahora se han propuesto algunos métodos para la amplificación del sonido en GHz-THz. Algunos se han explorado sólo teóricamente [17] [18] y otros se han explorado en experimentos no coherentes.
Observamos que las ondas acústicas de 100 GHz a 1 THz tienen longitudes de onda en el rango nanométrico . La amplificación del sonido, según un experimento realizado en la Universidad de Nottingham, podría basarse en una cascada inducida de electrones en superredes de semiconductores . Los niveles de energía de los electrones están confinados en las capas de la superred. A medida que los electrones saltan entre los pozos cuánticos de arseniuro de galio en la superred, emiten fonones. Luego, cuando entra un fonón , se producen dos fonones que salen de la superred. Este proceso puede ser estimulado por otros fonones y luego dar lugar a una amplificación acústica. Tras la adición de electrones, se producen fonones de longitud de onda corta (en el rango de los terahercios). Dado que los electrones están confinados en los pozos cuánticos existentes dentro de la red, la transmisión de su energía depende de los fonones que generan. Cuando estos fonones chocan con otras capas de la red, excitan electrones, que producen más fonones, que a su vez excitan más electrones, y así sucesivamente. Finalmente, un haz muy estrecho de ultrasonido de alta frecuencia sale del dispositivo. Las superredes semiconductoras se utilizan como espejos acústicos. Estas estructuras de superred deben tener el tamaño correcto obedeciendo la teoría del reflector de Bragg distribuido multicapa, de manera similar a los espejos dieléctricos multicapa en óptica.
La comprensión básica del desarrollo de SASER requiere la evaluación de algunos ejemplos propuestos de dispositivos SASER y esquemas teóricos de SASER.
En este esquema teórico propuesto, [19] el medio activo es un dieléctrico líquido (por ejemplo, agua destilada ordinaria) en el que las partículas dispersas se distribuyen uniformemente. Los medios de electrólisis provocan burbujas de gas que sirven como partículas dispersas. Una onda bombeada excitada en el medio activo produce una variación periódica de los volúmenes de las partículas dispersas (burbujas de gas). Dado que la distribución espacial inicial de las partículas es uniforme, las ondas emitidas por las partículas se suman con diferentes fases y dan cero en promedio. Sin embargo, si el medio activo se encuentra en un resonador, entonces en él se puede excitar un modo estacionario. Las partículas se agrupan bajo la acción de las fuerzas de radiación acústica. En este caso, las oscilaciones de las burbujas se autosincronizan y el modo útil se amplifica. [20]
La similitud de este con el láser de electrones libres es útil para comprender los conceptos teóricos del esquema. En un FEL, los electrones se mueven a través de sistemas periódicos magnéticos produciendo radiación electromagnética. [21] La radiación de los electrones es inicialmente incoherente, pero luego, debido a la interacción con la onda electromagnética útil, comienzan a agruparse según la fase y se vuelven coherentes. Por tanto, el campo electromagnético se amplifica.
Observamos que, en el caso de los radiadores piezoeléctricos habitualmente utilizados para generar ultrasonidos , sólo irradia la superficie de trabajo y por tanto el sistema de trabajo es bidimensional. Por otro lado, un dispositivo de amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación es un sistema tridimensional, ya que irradia todo el volumen del medio activo.
La mezcla de medio activo gas-líquido llena el resonador. La densidad de las burbujas en el líquido inicialmente se distribuye uniformemente en el espacio. Dado que la onda se propaga en dicho medio, la onda de bombeo provoca la aparición de una onda cuasi periódica adicional. Esta onda se combina con la variación espacial de la densidad de las burbujas bajo la acción de las fuerzas de presión de la radiación. Por tanto, la amplitud de la onda y la densidad de las burbujas varían lentamente en comparación con el período de las oscilaciones.
En el esquema teórico donde el uso de resonadores es esencial, la radiación SASER atraviesa las paredes del resonador, que son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda de bombeo. Según un ejemplo de SASER bombeado eléctricamente, [22] el medio activo está confinado entre dos planos, que están definidos por las paredes sólidas del resonador. La radiación se propaga entonces a lo largo de un eje paralelo al plano definido por las dos paredes del resonador. El campo eléctrico estático que actúa sobre el líquido con burbujas de gas provoca la deformación de los dieléctricos y, por tanto, provoca un cambio en el volumen de las partículas. Observamos que las ondas electromagnéticas en el medio se propagan con una velocidad mucho mayor que la velocidad del sonido en el mismo medio. Esto lleva a suponer que la onda de bombeo efectiva que actúa sobre las burbujas no depende de las coordenadas espaciales. La presión de una bomba de olas en el sistema provoca tanto la aparición de una onda inversa como una inestabilidad dinámica del sistema.
Los análisis matemáticos han demostrado que se deben superar dos tipos de pérdidas para que comience la generación de oscilaciones. [23] Las pérdidas del primer tipo están asociadas con la dispersión de energía dentro del medio activo y las pérdidas del segundo tipo se deben a pérdidas por radiación en los extremos del resonador. Este tipo de pérdidas son inversamente proporcionales a la cantidad de energía almacenada en el resonador. En general, la disparidad de los radiadores no influye en ningún intento de cálculo matemático de las condiciones iniciales. Las burbujas con frecuencias de resonancia cercanas a la frecuencia de la bomba hacen la principal contribución a la ganancia del modo útil. Por el contrario, en los láseres convencionales la determinación de la presión inicial es independiente del número de radiadores. El modo útil crece con el número de partículas pero al mismo tiempo aumenta la absorción acústica. Ambos factores se neutralizan mutuamente. Las burbujas juegan el papel principal en la dispersión de energía en un SASER.
Alrededor de 1995 se introdujo un esquema relevante sugerido de amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación utilizando burbujas de gas como medio activo [24] . El bombeo se crea mediante oscilaciones mecánicas de un resonador cilíndrico y la agrupación de burbujas en fase se realiza mediante fuerzas de radiación acústica. Un hecho notable es que las burbujas de gas sólo pueden oscilar bajo una acción externa, pero no de forma espontánea. Según otros esquemas propuestos, las oscilaciones de electroestricción de los volúmenes de partículas dispersas en el resonador cilíndrico se realizan mediante un campo electromagnético alterno. Sin embargo, un esquema SASER con un campo eléctrico alterno como bomba tiene una limitación. Se requiere una amplitud de campo eléctrico muy grande (hasta decenas de kV/cm) para realizar la amplificación. Estos valores se aproximan a la intensidad de la punción eléctrica de los dieléctricos líquidos. De ahí que un estudio proponga un esquema SASER sin esta limitación. El bombeo se crea mediante pulsaciones mecánicas radiales de un cilindro. Este cilindro contiene un medio activo: un dieléctrico líquido con burbujas de gas. La radiación se emite a través de las caras del cilindro.
Un grupo del Instituto de Espectroscopia de Moscú, Rusia, presentó una propuesta para el desarrollo de un láser de fonones en transiciones de fonones resonantes [25] . Se mencionaron dos esquemas para la generación constante de fonones estimulados. El primer esquema explota un semiconductor indirecto de espacio estrecho o una heteroestructura de semiconductor de espacio indirecto análogo donde la sintonización en resonancia de la transición de un fonón de la recombinación electrón-hueco se puede llevar a cabo mediante presión externa, campos magnéticos o eléctricos. El segundo esquema utiliza una transición de un fonón entre niveles de excitones directos e indirectos en pozos cuánticos acoplados . Observamos que un excitón es una cuasipartícula eléctricamente neutra que describe una excitación elemental de materia condensada. Puede transportar energía sin transportar carga eléctrica neta. La sintonización con la resonancia de esta transición se puede lograr mediante ingeniería de dispersión del excitón indirecto mediante campos eléctricos normales y magnéticos externos en el plano.
Se supone que la magnitud del vector de onda del fonón en el segundo esquema propuesto está determinada por la magnitud del campo magnético en el plano . Por lo tanto, este tipo de SASER es sintonizable (es decir, su longitud de onda de funcionamiento puede modificarse de forma controlada).
Los láseres semiconductores habituales sólo pueden realizarse en semiconductores de separación directa. El razonamiento detrás de esto es que un par de electrones y huecos cerca de los mínimos de sus bandas en un semiconductor de separación indirecta sólo pueden recombinarse con la producción de un fonón y un fotón, debido a las leyes de conservación de la energía y el momento . Este tipo de proceso es débil en comparación con la recombinación electrón-hueco en un semiconductor directo. En consecuencia, el bombeo de estas transiciones debe ser muy intenso para obtener una generación de láser constante. Por lo tanto, la transición láser con producción de una sola partícula (el fotón) debe ser resonante. Esto significa que las leyes de conservación de energía y de impulso deben permitir que la transición láser se genere de forma constante. Los fotones tienen vectores de onda insignificantes y por tanto los extremos de la banda tienen que estar en la misma posición que la zona de Brillouin . Por otro lado, para dispositivos como los SASER, los fonones acústicos tienen una dispersión considerable. Según la dinámica, esto lleva a afirmar que los niveles en los que debe funcionar el láser deben estar en el espacio k entre sí. El espacio K se refiere a un espacio donde las cosas están en términos de impulso y frecuencia en lugar de posición y tiempo. La conversión entre el espacio real y el espacio k es una transformación matemática llamada transformada de Fourier y, por tanto, el espacio k también puede denominarse espacio de Fourier.
Observamos que la diferencia de energía de los niveles de emisión de láser de fotones debe ser al menos menor que la energía de Debye en el semiconductor. Aquí podemos pensar en la energía de Debye como la energía máxima asociada con los modos vibratorios de la red. Dichos niveles pueden formarse mediante bandas de conducción y valencia en semiconductores indirectos de espacio estrecho.
La brecha de energía en un semiconductor bajo la influencia de la presión o del campo magnético varía ligeramente y, por lo tanto, no merece ninguna consideración. Por otro lado, en semiconductores de espacio estrecho esta variación de energía es considerable y, por lo tanto, la presión externa o el campo magnético pueden servir para sintonizar la resonancia de la transición interbanda de un fonón. Tenga en cuenta que la transición entre bandas es la transición entre las bandas de conducción y valencia. Este esquema considera semiconductores indirectos en lugar de semiconductores directos. El razonamiento detrás de esto proviene del hecho de que, debido a la regla de selección k en los semiconductores, las transiciones entre bandas con la producción de un solo fonón solo pueden ser aquellas que producen un fonón óptico. Sin embargo, los fonones ópticos tienen una vida corta (se dividen en dos debido a la anarmonicidad) y por tanto añaden algunas complicaciones importantes. Aquí podemos observar que incluso en el caso de un proceso de múltiples etapas de creación de fonones acústicos es posible crear SASER. [26] [27]
Ejemplos de semiconductores indirectos de espacio estrecho que se pueden utilizar son los calcogenuros PbTe, PbSe y PbS con un espacio energético de 0,15 a 0,3 eV. Para el mismo esquema, puede ser más efectivo el uso de una heteroestructura de semiconductores (capas de diferentes semiconductores) con una estrecha brecha indirecta en el espacio de impulso entre las bandas de valencia y conducción. Esto podría ser más prometedor ya que la separación espacial de las capas ofrece la posibilidad de sintonizar la transición entre bandas en resonancia mediante un campo eléctrico externo. Una afirmación esencial aquí es que este láser de fonones propuesto sólo puede funcionar si la temperatura es mucho más baja que la brecha de energía en el semiconductor.
Durante el análisis de este esquema teórico se introdujeron varios supuestos por razones de simplicidad. El método de bombeo mantiene el sistema electroneutro y se supone que las leyes de dispersión de electrones y huecos son parabólicas e isotrópicas. Además, se requiere que la ley de dispersión de fonones sea lineal e isotrópica. [29] Dado que todo el sistema es electroneutro, el proceso de bombeo crea electrones y huecos con la misma velocidad. Un análisis matemático conduce a una ecuación para el número promedio de pares electrón-hueco por modo de fonón por unidad de volumen. Para un límite de pérdida bajo, esta ecuación nos da una tasa de bombeo para el SASER que es bastante moderada en comparación con los láseres de fonones habituales en la transición ap-n.
Se ha mencionado que un pozo cuántico es básicamente un pozo potencial que confina las partículas a moverse en dos dimensiones en lugar de tres, obligándolas a ocupar una región plana. En los pozos cuánticos acoplados hay dos formas posibles de unir electrones y huecos en un excitón : excitón indirecto y excitón directo. En el excitón indirecto, los electrones y los huecos se encuentran en diferentes pozos cuánticos, a diferencia del excitón directo, donde los electrones y los huecos se encuentran en el mismo pozo. En el caso de que los pozos cuánticos sean idénticos, ambos niveles tienen una doble degeneración. El nivel de excitón directo es menor que el nivel de excitón indirecto debido a una mayor interacción de Coulomb. Además, el excitón indirecto tiene un momento dipolar eléctrico normal al pozo cuántico acoplado y, por tanto, un excitón indirecto en movimiento tiene un momento magnético en el plano perpendicular a su velocidad. Cualquier interacción de su dipolo eléctrico con el campo eléctrico normal reduce uno de los subniveles del excitón indirecto y, en campos eléctricos suficientemente fuertes, el excitón indirecto en movimiento se convierte en el nivel excitónico del suelo. Teniendo en cuenta estos procedimientos, se puede seleccionar la velocidad para tener una interacción entre el dipolo magnético y el campo magnético en el plano. Esto desplaza el mínimo de la ley de dispersión fuera de la zona de radiación. La importancia de esto radica en el hecho de que los campos eléctricos y magnéticos en el plano normales a los pozos cuánticos acoplados pueden controlar la dispersión del excitón indirecto. Se necesita un campo eléctrico normal para sintonizar la transición: excitón directo -> excitón indirecto + fonón en resonancia y su magnitud puede formar una función lineal con la magnitud del campo magnético en el plano. Observamos que el análisis matemático de este esquema considera fonones acústicos longitudinales (LA) en lugar de fonones acústicos transversales (TA). Esto apunta a estimaciones numéricas más simples. Generalmente, la preferencia por los fonones acústicos transversales (TA) es mejor porque los fonones TA tienen menor energía y mayor vida útil que los fonones LA. Por tanto, su interacción con el subsistema electrónico es débil. Además, las evaluaciones cuantitativas más simples requieren un bombeo del nivel de excitón directo realizado mediante irradiación láser .
Un análisis más detallado del esquema puede ayudarnos a establecer ecuaciones diferenciales para los modos de excitón directo, excitón indirecto y fonón . La solución de estas ecuaciones da que los modos fonón y excitón indirecto por separado no tienen fase definida y solo se define la suma de sus fases. El objetivo aquí es comprobar si el funcionamiento de este esquema con una tasa de bombeo bastante moderada puede contrarrestar el hecho de que los excitones en pozos cuánticos acoplados tienen una dimensionalidad baja en comparación con los fonones. Por lo tanto, se consideran los fonones que no están confinados en el pozo cuántico acoplado. Un ejemplo son los fonones ópticos longitudinales (LO) que se encuentran en la heteroestructura AlGaAs/GaAs [30] y, por lo tanto, los fonones presentados en este sistema propuesto son tridimensionales. [31] Las diferencias en las dimensionalidades de los fonones y los excitones hacen que el nivel superior se transforme en muchos estados del campo de fonones. Al aplicar esta información a ecuaciones específicas, podemos llegar al resultado deseado. No existe ningún requisito adicional para el bombeo láser a pesar de la diferencia en las dimensionalidades de fonones y excitones.
La acción del láser de fonones se ha demostrado en una amplia gama de sistemas físicos (por ejemplo, semiconductores ). Una publicación de 2012 del Departamento de Física Aplicada del Instituto de Tecnología de California ( Caltech ), presenta una demostración de un sistema compuesto de microcavidades, junto con un modo mecánico de radiofrecuencia, que opera en estrecha analogía con un sistema láser de dos niveles. . [32]
Este sistema compuesto de microcavidades también puede denominarse " molécula fotónica ". [33] [34] Los orbitales hibridados de un sistema eléctrico son reemplazados por supermodos ópticos de esta molécula fotónica, mientras que las transiciones entre sus niveles de energía correspondientes son inducidas por un campo de fonones . En las condiciones típicas de los microresonadores ópticos, la molécula fotónica se comporta como un sistema láser de dos niveles. Sin embargo, existe una extraña inversión entre las funciones del medio activo y los modos de cavidad (campo láser). El medio se vuelve puramente óptico y el material proporciona el campo láser en forma de fonón.
Una inversión produce ganancia, lo que provoca la acción del láser de fonones por encima de un umbral de potencia de bomba de alrededor de 7 μW. El dispositivo propuesto se caracteriza por un espectro de ganancia continuamente sintonizable que amplifica selectivamente modos mecánicos desde frecuencias de radio hasta frecuencias de microondas . Visto como proceso de Brillouin, el sistema accede a un régimen en el que el fonón desempeña el papel de onda de Stokes . [35] La onda de Stokes se refiere a una onda superficial no lineal y periódica sobre una capa de fluido no viscoso (fluido ideal que se supone que no tiene viscosidad) de profundidad media constante. Por esta razón, también debería ser posible cambiar de forma controlable entre regímenes de láser de fonones y de fonones.
Los sistemas de microcavidades ópticas compuestas proporcionan controles espectrales beneficiosos. Estos controles afectan tanto la acción como el enfriamiento del láser de fonones y definen algunos niveles ópticos finamente espaciados cuyas energías de transición son proporcionales a las energías de los fonones . Estos espaciamientos de niveles se pueden ajustar continuamente mediante un ajuste significativo del acoplamiento óptico. Por lo tanto, la amplificación y el enfriamiento ocurren alrededor de un centro de línea sintonizable, en contraste con algunos fenómenos optomecánicos de cavidad. La creación de estos niveles finamente espaciados no requiere aumentar las dimensiones de las microcavidades ópticas. Por lo tanto, estos niveles finamente espaciados no afectan la fuerza de interacción optomecánica en un grado significativo. [36] El enfoque utiliza acoplamiento intermodal, inducido por presión de radiación [37] y también puede proporcionar un medio espectralmente selectivo para detectar fonones. Además, en este tipo de experimentos se observan algunas evidencias de enfriamiento intermodal y, por lo tanto, existe interés en el enfriamiento optomecánico. [38] En general, es posible una extensión a sistemas multinivel utilizando múltiples resonadores acoplados.
En un sistema de dos niveles, las partículas tienen sólo dos niveles de energía disponibles, separados por alguna diferencia de energía: Δ Ε = E 2 − E 1 = hv , donde ν es la frecuencia de la onda electromagnética asociada del fotón emitido y h es la Constante de Planck . También tenga en cuenta: mi 2 > mi 1 . Estos dos niveles son los estados excitado (superior) y fundamental (inferior). Cuando una partícula en el estado superior interactúa con un fotón que coincide con la separación de energía de los niveles, la partícula puede desintegrarse y emitir otro fotón con la misma fase y frecuencia que el fotón incidente. Por lo tanto, al bombear energía al sistema podemos estimular la emisión de radiación, lo que significa que la bomba obliga al sistema a liberar una gran cantidad de energía en un momento específico. Una característica fundamental del láser, como la inversión de población, en realidad no es posible en un sistema de dos niveles y, por lo tanto, un láser de dos niveles no es posible. En un átomo de dos niveles, la bomba es, en cierto modo, el propio láser.
La amplificación del sonido coherente de terahercios en una superred de escalera de Wannier-Stark se logró en 2009 según una publicación de un artículo [39] de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Nottingham . El efecto Wannier-Stark existe en superredes. Los estados de los electrones en los pozos cuánticos responden sensiblemente a campos eléctricos moderados , ya sea mediante el efecto Stark cuántico confinado en el caso de barreras anchas o mediante la localización de Wannier-Stark en el caso de una superred. Ambos efectos provocan grandes cambios en las propiedades ópticas cerca del borde de absorción, que son útiles para la modulación de intensidad y la conmutación óptica. Es decir, desde un punto de vista matemático, si se aplica un campo eléctrico a una superred, el hamiltoniano relevante exhibe un potencial escalar adicional. Si existe un estado propio , entonces los estados correspondientes a las funciones de onda también son estados propios del hamiltoniano. Estos estados están igualmente espaciados tanto en energía como en espacio real y forman la llamada escalera Wannier-Stark. [40] [41]
En el esquema propuesto, una aplicación de una polarización eléctrica a una superred de semiconductores aumenta la amplitud de los fonones plegados coherentes generados por un pulso óptico. Este aumento de la amplitud se observa para aquellos sesgos en los que la caída de energía por período de la superred es mayor que la energía del fonón . Si la superred está sesgada de tal manera que la caída de energía por período de la superred excede el ancho de las minibandas electrónicas (régimen de Wannier-Stark), los electrones se localizan en los pozos cuánticos y el transporte vertical de electrones tiene lugar mediante saltos entre pozos cuánticos vecinos, lo que puede ser asistido por fonones . [42] Como se había demostrado anteriormente, en estas condiciones la emisión de fonones estimulada puede convertirse en el proceso de espera dominante asistido por fonones para fonones de un valor energético cercano a la división de Stark. [43] Por lo tanto, la amplificación de fonones coherente es teóricamente posible en este tipo de sistema. Junto con el aumento de la amplitud, el espectro de las oscilaciones inducidas por el sesgo es más estrecho que el espectro de los fonones coherentes con sesgo cero. Esto muestra que en la estructura se produce una amplificación coherente de fonones debido a la emisión estimulada bajo bombeo eléctrico.
Se aplica un voltaje de polarización a una superred de GaAs/AlAs dopada con n débilmente acoplada y aumenta la amplitud de las oscilaciones de hipersonido coherentes generadas por un pulso óptico de femtosegundo. [44] Surge una evidencia de amplificación del hipersonido mediante la emisión estimulada de fonones, en un sistema donde existe la inversión de las poblaciones de electrones para las transiciones asistidas por fonones. Esta evidencia es proporcionada por el aumento de amplitud inducido por el sesgo y el estrechamiento espectral experimental del observador del modo de fonón superred con una frecuencia de 441 GHz.
El objetivo principal de este tipo de experimentos es resaltar la probabilidad de realización de una amplificación coherente del sonido THz. Las transiciones inducidas por fonones estimuladas por THz entre los estados de la superred de electrones conducen a esta amplificación coherente mientras se procesa una inversión de población .
Este logro de la amplificación del sonido en THz ha proporcionado un paso esencial hacia la generación coherente ("sasing") de sonido en THz y otros dispositivos de hipersonido activo. Generalmente, en un dispositivo donde se alcanza el umbral de "sasing", la técnica descrita por este esquema propuesto podría usarse para medir el tiempo de coherencia del hipersonido emitido.
Lo que los láseres hacen con la luz, los láseres prometen hacerlo con el sonido.