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Articulo de referencia

Amplificación del sonido por emisión estimulada de radiación

Un dispositivo láser de fonones La amplificación de sonido por emisión estimulada de radiación (SASER) se refiere a un dispositivo que emite radiación acústica. [ 1 ] Enfoca las...

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Un dispositivo láser de fonones

La amplificación de 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 portadoras de información precisas y de alta velocidad en muchos tipos de aplicaciones, de forma similar a los usos de la luz láser .

La radiación acústica ( ondas sonoras ) se puede emitir mediante un proceso de amplificación de sonido basado en la emisión estimulada de fonones . El sonido (o la vibración de la red cristalina) se puede describir mediante un fonón , al igual que la luz se puede considerar como fotones ; por lo tanto, se puede afirmar que SASER es el análogo acústico del láser.

En un dispositivo SASER, una fuente (por ejemplo, un campo eléctrico que actúa como bomba) produce ondas sonoras (vibraciones de la red cristalina, fonones) que se propagan a través de un medio activo. En este medio activo, la emisión estimulada de fonones amplifica las ondas sonoras, generando un haz de sonido que sale del dispositivo. Los haces de ondas sonoras emitidos por estos dispositivos presentan una alta coherencia .

El primer SASER exitoso se desarrolló en 2009. [ 2 ] [ 3 ]

Terminología

En lugar de una onda de radiación electromagnética generada por retroalimentación (es decir, un rayo láser ), un SASER emite una onda sonora. También se le conoce como láser de fonones , láser acústico o láser de sonido .

Usos y aplicaciones

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 a 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 sonido concentrado de alta energía.

El uso de SASER para manipular electrones dentro de semiconductores podría, en teoría, dar como resultado procesadores informáticos de frecuencia de terahercios, mucho más rápidos que los chips actuales. [ 5 ]

Historia

Este concepto puede ser más comprensible si se lo imagina en analogía con la teoría del láser. Theodore Maiman operó el primer láser funcional el 16 de mayo de 1960 en los Laboratorios de Investigación Hughes, Malibu, California, [ 6 ] Un dispositivo que funciona según la idea central de la teoría de la "amplificación del sonido por emisión estimulada de radiación" es el láser termoacústico . Este es un tubo semiabierto con un diferencial de calor a través de un material poroso especial insertado en el tubo. Al igual que un láser de luz, un SASER termoacústico tiene una cavidad de alto factor Q y utiliza un medio de ganancia para amplificar ondas coherentes. Para una explicación más detallada, consulte el motor térmico termoacústico .

Se ha propuesto la posibilidad de acción láser de fonones en una amplia gama de sistemas físicos como la nanomecánica, los semiconductores , los nanomagnetos y los iones paramagnéticos en una red. [ 7 ] [ 8 ]

Para el desarrollo del SASER, era necesario encontrar materiales que estimularan la emisión. 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 vibracional 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 decaimiento dominante. En 2009 se demostró experimentalmente un dispositivo en el rango de gigahercios. [ 10 ]

Anunciados en 2010, dos grupos independientes desarrollaron 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) estaba formado por IS Grudinin, H. Lee, O. Painter y KJ Vahala de Caltech , quienes llevaron a cabo un estudio sobre la acción láser de fonones en un sistema sintonizable de dos niveles. El dispositivo de la Universidad de Nottingham opera a unos 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 un dispositivo u otro para crear fonones coherentes en cualquier frecuencia en el rango de megahercios a terahercios. [ 11 ] Un resultado significativo surge de la frecuencia de operación de estos dispositivos. Las diferencias entre ambos dispositivos sugieren que los SASER podrían diseñarse para operar en un amplio rango de frecuencias.

El trabajo en el 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, investigadores que utilizaron una trampa de Paul lograron que dos iones formaran un láser de fonones que contenía menos de 10 fonones, lo que lo sitúa firmemente en el régimen cuántico, mientras que los láseres de fonones anteriores habían tenido al menos 10 000 fonones. [ 12 ] [ 13 ]

Diseño

La idea central de SASER se basa en las ondas sonoras. El montaje necesario para la amplificación del sonido mediante emisión estimulada de radiación es similar al de un oscilador. Un oscilador puede producir oscilaciones sin ningún mecanismo de alimentación externo. Un ejemplo es un sistema común de amplificación de sonido con micrófono, amplificador y altavoz. Cuando el micrófono está frente al altavoz, oímos un silbido molesto. Este silbido se genera sin ninguna contribución adicional de la fuente sonora y se autoalimenta y autosuficiente mientras el micrófono se encuentra frente al altavoz. Este fenómeno, conocido como efecto Larsen , es el resultado de una retroalimentación positiva .

Debe considerarse la analogía entre un láser y un dispositivo SASER. Componentes de un láser típico:
  1. Ganancia media
  2. energía de bombeo láser
  3. Reflector alto
  4. Acoplador de salida
  5. rayo láser

En general, todo oscilador consta de tres partes principales: la fuente de alimentación o bombeo, el amplificador y la retroalimentación positiva que conduce a la salida. En un dispositivo SASER, las partes correspondientes son el mecanismo de excitación o bombeo, el medio activo (amplificador) y la retroalimentación que genera la radiación acústica. El bombeo puede realizarse, por ejemplo, con un campo eléctrico alterno o con 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 son las 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 un SASER, debemos imaginarlo por analogía con un dispositivo láser . En un láser, el medio activo se coloca entre dos superficies reflectantes de un interferómetro Fabry-Pérot . Un fotón emitido espontáneamente dentro de este interferómetro puede forzar a los átomos excitados a decaer en un fotón de la misma frecuencia, mismo momento, misma polarización y misma fase. Debido a que el momento (como vector) del fotón es casi paralelo a los ejes de los espejos, es posible que los fotones se reflejen varias veces y obliguen a más fotones a seguirlos, produciendo un efecto de avalancha. El número de fotones de este haz láser coherente aumenta y compensa el número de fotones perdidos por pérdidas. La condición básica necesaria para la generación de radiación láser es la inversión de población , que se puede lograr excitando átomos e induciendo percusión o mediante la absorción de radiación externa. Un dispositivo SASER imita este procedimiento utilizando una fuente de bombeo para inducir un haz de fonones. Este haz de sonido se propaga no en una cavidad óptica , sino en un medio activo diferente. Un ejemplo de medio activo es la superred. Una superred puede consistir en múltiples redes ultrafinas de dos semiconductores diferentes . Estos dos materiales semiconductores tienen diferentes brechas de banda y forman pozos cuánticos , que son pozos de potencial que confinan 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 afecta 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 ultra alta frecuencia.

La estructura de una superred de capas semiconductoras (AlAs, GaAs). Las ondas acústicas se amplifican.

En concreto, la emisión concertada de fonones puede generar sonido coherente, y un ejemplo de emisión concertada de fonones es la que proviene de pozos cuánticos. Esto se asemeja al funcionamiento del láser, donde la luz coherente se genera mediante la emisión estimulada concertada de luz de numerosos átomos . Un dispositivo SASER transforma la energía potencial eléctrica en un único modo vibracional de la red (fonón). [ 14 ]

El medio donde se produce la amplificación consiste en pilas de finas capas de semiconductores que, en conjunto, forman pozos cuánticos. En estos pozos, los electrones pueden ser excitados por pulsos de ultrasonido con una energía del orden de los milielectronvoltios . Esta cantidad de energía equivale a una frecuencia de entre 0,1 y 1  THz.

Física

Modos normales de vibración que se propagan a través de un cristal en 1D. La amplitud del movimiento se ha exagerado para facilitar la visualización; en un cristal real, suele ser mucho menor que el espaciado de la red . La energía de vibración de la red puede tomar valores discretos para cada excitación. Cada uno de estos "paquetes de excitación" se denomina fonón .

Así como la luz es un movimiento ondulatorio compuesto por partículas llamadas fotones, podemos considerar los modos normales de vibración en un sólido como partículas. El cuanto de vibración de la red se denomina fonón . En dinámica de redes, buscamos determinar los modos normales de vibración de un cristal. En otras palabras, necesitamos calcular las energías (o frecuencias) de los fonones en función de su vector de onda k . La relación entre la frecuencia ω y el vector de onda k se denomina dispersión de fonones.

La luz y el sonido son similares en varios aspectos. Ambos pueden considerarse ondas y se expresan en unidades cuánticas. En el caso de la luz, tenemos fotones, mientras que en el sonido, tenemos fonones. Tanto el sonido como la luz pueden producirse como conjuntos aleatorios 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 viables con el sonido como con la luz. En el siglo XXI, es fácil producir sonido de baja frecuencia en el rango audible para el ser humano (~20  kHz), ya sea de forma aleatoria u ordenada. Sin embargo, en las frecuencias de terahercios, propias de las aplicaciones de láseres de fonones , surgen mayores dificultades. El problema radica en que el sonido viaja mucho más lento que la luz. Esto significa que la longitud de onda del sonido es mucho menor que la de la luz a una frecuencia dada. En lugar de generar fonones ordenados y coherentes, las estructuras láser capaces de producir sonido de terahercios tienden a emitir fonones de forma aleatoria. Los investigadores han superado el problema de las frecuencias de terahercios mediante diversos enfoques. Científicos del Caltech lo han resuelto ensamblando un par de cavidades microscópicas que solo permiten la emisión de fonones de frecuencias específicas. Este sistema también puede ajustarse para emitir fonones de distintas frecuencias modificando 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. En resumen, 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 un voltaje) puede ayudar a la excitación de un electrón. La relajación de un electrón desde 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 lo tanto, obedecen 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 la 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 supera la de un campo de fotones (hasta en ~10⁵ ) , la emisión de fonones es, con mucho, el evento más probable. [ 15 ] [ 16 ] También podríamos imaginar un concepto donde la excitación de un electrón conduce brevemente a la vibración de la red y, por lo 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 un estado excitado por mucho tiempo. Libera energía fácilmente para regresar a su estado estable de baja energía. Los electrones liberan energía en cualquier dirección aleatoria y en cualquier momento (después de su excitación). En ciertos momentos particulares, algunos electrones se excitan mientras que otros pierden energía de tal manera que la energía promedio del sistema es la más baja posible.

Superred de GaAs/AlAs y perfil potencial de las bandas de conducción y valencia a lo largo de la dirección de crecimiento (z).

Al inyectar energía en el sistema, se produce una inversión de población. Esto significa que hay más electrones excitados que electrones en el estado de energía más bajo del sistema. Cuando un electrón libera energía (por ejemplo, un fonón), interactúa con otro electrón excitado para liberar también su energía. Por lo tanto, se produce una emisión estimulada, lo que implica la liberación simultánea de una gran cantidad de energía (por ejemplo, radiación acústica, fonones). Cabe mencionar que la emisión estimulada es un proceso en el que se produce una emisión espontánea y una emisión inducida al mismo tiempo. La emisión inducida proviene del proceso de inyección de energía y se suma a la emisión espontánea.

Un dispositivo SASER debe constar de un mecanismo de bombeo y un medio activo. El proceso de bombeo puede inducirse, por ejemplo, mediante un campo eléctrico alterno o con vibraciones mecánicas de resonadores, seguido de la 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 de funcionamiento relevantes. En lugar de una potente onda de radiación electromagnética construida mediante retroalimentación, un SASER emite una potente onda sonora. Hasta el momento, se han propuesto algunos métodos para la amplificación de sonido en el rango de GHz a THz. Algunos se han explorado solo 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 de los nanómetros . La amplificación del sonido, según el experimento realizado en la Universidad de Nottingham, podría basarse en una cascada inducida de electrones en superredes semiconductoras . Los niveles de energía de los electrones están confinados en las capas de la superred. A medida que los electrones saltan entre pozos cuánticos de arseniuro de galio en la superred, emiten fonones. Un fonón que entra produce dos fonones que salen de la superred. Este proceso puede ser estimulado por otros fonones y dar lugar a una amplificación acústica. Al añadir 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 a su vez generan más fonones, que excitan aún 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 adecuado, de acuerdo con la teoría del reflector de Bragg distribuido multicapa , de forma similar a los espejos dieléctricos multicapa en óptica.

Esquemas y dispositivos propuestos

Para comprender los fundamentos del desarrollo de SASER, es necesario evaluar algunos ejemplos propuestos de dispositivos SASER y esquemas teóricos SASER.

Líquido con burbujas de gas como medio activo

En este esquema teórico propuesto, [ 19 ] el medio activo es un dieléctrico líquido (por ejemplo , agua destilada común ) en el que las partículas dispersas se distribuyen uniformemente. Mediante electrólisis se generan burbujas de gas que actúan 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 estas se suman con diferentes fases, dando como resultado un valor promedio de cero. Sin embargo, si el medio activo se encuentra en un resonador, 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 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 magnéticos periódicos 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. De esta manera, el campo electromagnético se amplifica.

Diagrama de un SASER con bombeo eléctrico: El medio activo está confinado en un resonador por paredes sólidas. Un sistema electromagnético produce un campo eléctrico periódico que induce un modo acústico útil y radiación acústica.

Cabe destacar que, en el caso de los radiadores piezoeléctricos que se utilizan habitualmente para generar ultrasonidos , solo la superficie de trabajo irradia y, por lo tanto, el sistema de trabajo es bidimensional. Por otro lado, un dispositivo de amplificación de sonido por emisión estimulada de radiación es un sistema tridimensional, ya que irradia todo el volumen del medio activo.

La mezcla gas-líquido activa llena el resonador. La densidad de burbujas en el líquido se distribuye inicialmente de forma uniforme en el espacio. Dado que la onda se propaga en dicho medio, la onda de bombeo genera una onda cuasiperiódica adicional. Esta onda se acopla con la variación espacial de la densidad de burbujas bajo la acción de las fuerzas de presión de radiación. Por lo tanto, la amplitud de la onda y la densidad de 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 pasa a través de 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, 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 produce la deformación de los dieléctricos y, por lo tanto, conduce a un cambio en los volúmenes de las partículas. Cabe destacar 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 la suposición de que la onda de bombeo efectiva que actúa sobre las burbujas no depende de las coordenadas espaciales. La presión de una bomba de onda en el sistema produce 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. Estos tipos de pérdidas son inversamente proporcionales a la cantidad de energía almacenada en el resonador. En general, la disparidad de los radiadores no juega un papel en ningún intento de un cálculo matemático de las condiciones de inicio. Las burbujas con frecuencias de resonancia cercanas a la frecuencia de bombeo hacen la contribución principal a la ganancia del modo útil. En contraste, la determinación de la presión de inicio en láseres ordinarios es independiente del número de radiadores. El modo útil crece con el número de partículas pero la absorción de sonido aumenta al mismo tiempo. Estos dos factores se neutralizan entre sí. Las burbujas juegan el papel principal en la dispersión de energía en un SASER.

Un esquema relevante sugerido de amplificación de sonido por emisión estimulada de radiación usando burbujas de gas como medio activo fue introducido alrededor de 1995 [ 24 ]. El bombeo se crea por oscilaciones mecánicas de un resonador cilíndrico y el agrupamiento de fase de las burbujas se realiza por fuerzas de radiación acústica. Un hecho notable es que las burbujas de gas solo pueden oscilar bajo una acción externa, pero no espontáneamente. Según otros esquemas propuestos, las oscilaciones de electroestricción de los volúmenes de partículas dispersas en el resonador cilíndrico se realizan por un campo electromagnético alterno. Sin embargo, un esquema SASER con un campo eléctrico alterno como bomba tiene una limitación. Se requiere una amplitud muy grande de campo eléctrico (hasta decenas de kV/cm) para realizar la amplificación. Tales valores se aproximan a la intensidad de punción eléctrica de los dieléctricos líquidos. Por lo tanto, un estudio propone un esquema SASER sin esta limitación. El bombeo se crea por 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.

Semiconductores indirectos de banda prohibida estrecha y excitones en pozos cuánticos acoplados

Se ha presentado una propuesta para el desarrollo de un láser de fonones en transiciones de fonones resonantes [ 25 ] por un grupo del Instituto de Espectroscopia en Moscú, Rusia. Se mencionaron dos esquemas para la generación de fonones estimulados estables. El primer esquema explota un semiconductor indirecto de banda estrecha o una heteroestructura de semiconductor de banda indirecta análoga donde la sintonización a la resonancia de la transición de un fonón de recombinación electrón-hueco se puede llevar a cabo mediante presión externa, campos magnéticos o eléctricos. El segundo esquema utiliza la transición de un fonón entre niveles de excitones directos e indirectos en pozos cuánticos acoplados . Cabe señalar que un excitón es una cuasipartícula eléctricamente neutra que describe una excitación elemental de la materia condensada. Puede transportar energía sin transportar carga eléctrica neta . La sintonización a la resonancia de esta transición se puede lograr mediante la ingeniería de la dispersión del excitón indirecto mediante campos magnéticos en el plano y campos eléctricos normales externos.

Zonas de Brillouin, a) en una red cuadrada y b) en una red hexagonal.

En el segundo esquema propuesto, se supone que la magnitud del vector de onda del fonón 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 operación puede modificarse de forma controlada).

Los láseres semiconductores comunes solo pueden implementarse en semiconductores de banda prohibida directa. Esto se debe a que, en un semiconductor de banda prohibida indirecta, un par electrón-hueco cerca de los mínimos de sus bandas solo puede recombinarse con la producción de un fonón y un fotón, debido a las leyes de conservación de energía y momento . Este proceso es débil en comparación con la recombinación electrón-hueco en un semiconductor de banda prohibida directa. Por consiguiente, el bombeo de estas transiciones debe ser muy intenso para obtener una generación láser estable. Por lo tanto, la transición láser con producción de una sola partícula (fotón) debe ser resonante. Esto significa que la transición láser debe permitirse, según las leyes de conservación de momento y energía, para generarse de forma estable. Los fotones tienen vectores de onda despreciables , por lo que los extremos de banda deben estar en la misma posición de la zona de Brillouin . Por otro lado, en dispositivos como los SASER, los fonones acústicos presentan una dispersión considerable. Según la dinámica, esto implica que los niveles en los que debe operar el láser deben estar en el espacio k en relación unos con otros. El espacio k se refiere a un espacio donde las cosas se definen en términos de momento 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 , por lo que el espacio k también puede denominarse espacio de Fourier.

Cabe destacar que la diferencia de energía entre los niveles de emisión láser de fotones debe ser al menos menor que la energía de Debye en el semiconductor. En este caso, la energía de Debye se define como la energía máxima asociada a los modos vibracionales de la red cristalina. Dichos niveles pueden formarse mediante bandas de conducción y de valencia en semiconductores indirectos de banda prohibida estrecha.

Semiconductor indirecto de banda prohibida estrecha como sistema SASER

La brecha de energía en un semiconductor bajo la influencia de presión o campo magnético varía ligeramente y, por lo tanto, no merece consideración. Por otro lado, en semiconductores de brecha estrecha, esta variación de energía es considerable y, por consiguiente, la presión externa o el campo magnético pueden servir para sintonizar la resonancia de la transición interbanda de un fonón. Cabe señalar que la transición interbanda es la transición entre la banda de conducción y la banda de 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 semiconductores, las transiciones interbanda con la producción de un solo fonón pueden ser solo aquellas que producen un fonón óptico. Sin embargo, los fonones ópticos tienen una vida útil corta (se dividen en dos debido a la anarmonicidad) y, por lo tanto, agregan algunas complicaciones importantes. Aquí podemos señalar que incluso en el caso del proceso de creación de fonones acústicos en múltiples etapas es posible crear SASER. [ 26 ] [ 27 ]

Relación de dispersión ω=ω( k ) para algunas ondas correspondientes a vibraciones de la red en GaAs. [ 28 ]

Ejemplos de semiconductores indirectos de banda prohibida estrecha que se pueden utilizar son los calcogenuros PbTe, PbSe y PbS con una banda prohibida de energía de 0,15 a 0,3 eV. Para el mismo esquema, el uso de una heteroestructura semiconductora (capas de diferentes semiconductores) con una banda prohibida indirecta estrecha en el espacio de momentos entre las bandas de valencia y de conducción podría ser más eficaz. Esto podría ser más prometedor, ya que la separación espacial de las capas permite ajustar la transición interbanda a resonancia mediante un campo eléctrico externo. Es fundamental tener en cuenta que este láser de fonones propuesto solo puede funcionar si la temperatura es mucho menor que la banda prohibida del semiconductor.

Durante el análisis de este esquema teórico, se introdujeron varias suposiciones por razones de simplicidad. El método de bombeo mantiene el sistema electroneutral y se asume que las leyes de dispersión de electrones y huecos son parabólicas e isotrópicas. También se requiere que la ley de dispersión de fonones sea lineal e isotrópica. [ 29 ] Dado que todo el sistema es electroneutral, el proceso de bombeo crea electrones y huecos a la misma velocidad. Un análisis matemático conduce a una ecuación para el número promedio de pares electrón-hueco por modo fonónico por unidad de volumen. Para un límite de bajas pérdidas, 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.

Transición de excitones sintonizable en pozos cuánticos acoplados

Se ha mencionado que un pozo cuántico es básicamente un pozo de potencial que confina las partículas a moverse en dos dimensiones en lugar de tres, obligándolas a ocupar una región plana. En pozos cuánticos acoplados , existen dos formas posibles para que los electrones y los huecos se unan en un excitón : excitón indirecto y excitón directo. En el excitón indirecto, los electrones y los huecos se encuentran en pozos cuánticos diferentes, a diferencia del excitón directo, donde se ubican en el mismo pozo. En el caso de que los pozos cuánticos sean idénticos, ambos niveles presentan una degeneración doble. El nivel del excitón directo es inferior al del excitón indirecto debido a una mayor interacción de Coulomb. Además, el excitón indirecto posee un momento dipolar eléctrico normal al pozo cuántico acoplado, por lo que 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 fundamental. 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. El campo eléctrico normal es necesario para ajustar 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 tiempo de vida que los fonones LA. Por lo tanto, su interacción con el subsistema electrónico es débil. Además, las evaluaciones cuantitativas más simples requieren un bombeo del nivel del excitón directo realizado por una 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 muestra que, por separado, los modos de fonón y excitón indirecto no tienen una 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 moderada puede mantenerse frente al hecho de que los excitones en pozos cuánticos acoplados tienen una dimensionalidad baja en comparación con los fonones. Por lo tanto, se consideran fonones no 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 excitones hacen que el nivel superior se transforme en muchos estados del campo fonónico. 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 los fonones y los excitones.

Un sistema de dos niveles ajustable

Se ha descrito la acción láser de fonones en una amplia gama de sistemas físicos (por ejemplo, semiconductores ). Una publicación de 2012 del Departamento de Física Aplicada del Instituto Tecnológico de California ( Caltech ) presenta una demostración de un sistema de microcavidad compuesta, acoplado a un modo mecánico de radiofrecuencia, que opera de forma análoga a un sistema láser de dos niveles. [ 32 ]

Este sistema de microcavidad compuesta también puede denominarse " molécula fotónica ". [ 33 ] [ 34 ] Los orbitales hibridados de un sistema eléctrico se reemplazan 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 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 los roles del medio activo y los modos de la cavidad (campo láser). El medio se vuelve puramente óptico y el campo láser es proporcionado por el material como un modo de fonón.

Una inversión produce ganancia, causando acción láser de fonones por encima de un umbral de potencia de bombeo de alrededor de 7 μW. El dispositivo propuesto se caracteriza por un espectro de ganancia continuamente sintonizable que amplifica selectivamente los modos mecánicos desde frecuencias de radiofrecuencia hasta frecuencias de microondas . Visto como un 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 periódica y no lineal en una capa de fluido no viscoso (fluido ideal que se supone sin viscosidad) de profundidad media constante. Por esta razón, también debería ser posible conmutar de forma controlada entre regímenes de fonones y láser de fonones.

Los sistemas de microcavidades ópticas compuestas proporcionan controles espectrales beneficiosos. Estos controles afectan tanto la acción láser de fonones como el enfriamiento y definen algunos niveles ópticos finamente espaciados cuyas energías de transición son proporcionales a las energías de los fonones . Estos espaciamientos de nivel son continuamente sintonizables mediante un ajuste significativo del acoplamiento óptico. Por lo tanto, la amplificación y el enfriamiento ocurren alrededor de un centro de línea sintonizable, a diferencia de algunos fenómenos optomecánicos de cavidad. La creación de estos niveles finamente espaciados no requiere aumentar las dimensiones de la microcavidad óptica. 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, 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.

Una representación del sistema de dos niveles. Podemos ver la absorción inducida, la emisión espontánea y la emisión inducida.

Sistema de dos niveles

En un sistema de dos niveles, las partículas solo tienen dos niveles de energía disponibles, separados por una diferencia de energía: ΔE = E₂ − E₁ = hv , donde ν es la frecuencia de la onda electromagnética asociada al fotón emitido y h es la constante de Planck . Nótese también: E₂ > E₁ . 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 decaer, emitiendo otro fotón con la misma fase y frecuencia que el fotón incidente. Por lo tanto, al bombear energía al sistema podemos tener una emisión estimulada de radiación, lo que significa que el bombeo obliga al sistema a liberar una gran cantidad de energía en un momento específico. Una característica fundamental del láser, como la inversión de población, 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, el bombeo es, en cierto modo, el propio láser.

Amplificación coherente de terahercios en una superred de escalera de Stark

La amplificación del sonido coherente de terahercios en una superred de escalera de Wannier-Stark se logró en 2009 según un artículo [ 39 ] publicado por la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Nottingham . El efecto Wannier-Stark existe en las superredes. Los estados electrónicos en pozos cuánticos responden sensiblemente a campos eléctricos moderados, ya sea por el efecto Stark de confinamiento cuántico en el caso de barreras anchas o por la localización de Wannier-Stark en el caso de una superred. Ambos efectos dan lugar a 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 correspondiente presenta un potencial escalar adicional. Si existe un autoestado , entonces los estados correspondientes a las funciones de onda también son autoestados del hamiltoniano. Estos estados están igualmente espaciados tanto en energía como en el espacio real y forman la denominada escalera de Wannier-Stark. [ 40 ] [ 41 ]

Emisión estimulada de fonones. A medida que los electrones saltan entre pozos cuánticos de GaAs y AlAs en la superred, emiten fonones. Este proceso es estimulado por otros fonones, dando lugar a la amplificación acústica.

En el esquema propuesto, la aplicación de una polarización eléctrica a una superred semiconductora aumenta la amplitud de los fonones plegados coherentes generados por un pulso óptico. Este aumento de amplitud se observa para aquellas polarizaciones en las que la caída de energía por período de la superred es mayor que la energía del fonón . Si la superred se polariza 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, que pueden estar asistidos por fonones . [ 42 ] Como se había demostrado previamente, bajo estas condiciones la emisión de fonones estimulada puede convertirse en el proceso de salto asistido por fonones dominante para fonones con un valor de energía cercano al desdoblamiento de Stark. [ 43 ] Por lo tanto, la amplificación coherente de fonones es teóricamente posible en este tipo de sistema. Junto con el aumento de amplitud, el espectro de las oscilaciones inducidas por la polarización es más estrecho que el espectro de los fonones coherentes a polarización cero. Esto demuestra que la amplificación coherente de fonones debida a la emisión estimulada tiene lugar en la estructura bajo bombeo eléctrico.

Se aplica un voltaje de polarización a una superred de GaAs/AlAs dopada con n débilmente acoplada, lo que aumenta la amplitud de las oscilaciones hipersónicas coherentes generadas por un pulso óptico de femtosegundos. [ 44 ] Surge evidencia de amplificación hipersónica por emisión estimulada de fonones en un sistema donde existe inversión de las poblaciones electrónicas para transiciones asistidas por fonones. Esta evidencia se obtiene mediante el aumento de amplitud inducido por la polarización y el estrechamiento espectral observado experimentalmente del modo fonónico de la 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 estimulados por THz entre los estados de la superred electrónica conducen a esta amplificación coherente mientras se procesa una inversión de población .

Este logro en la amplificación del sonido THz representa un paso fundamental hacia la generación coherente ("saing") de sonido THz y otros dispositivos hipersónicos activos. En general, en un dispositivo donde se alcanza el umbral de "saing", la técnica descrita en este esquema propuesto podría utilizarse para medir el tiempo de coherencia del hipersónico emitido.

Véase también

Referencias y notas

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