В этом эксперименте напряжение (батарея) подается на микроволновый усилитель (блок персикового цвета). Он заставляет фотон (желтый) в микроволновом резонаторе (серая полоса) сильно взаимодействовать с магноном (фиолетовый) и формировать поляритон с усилением, который, в свою очередь, излучает когерентные микроволны.
Авторы и права: Б. М. Яо (первый автор статьи), Китайская академия наук.

Когда свет сильно взаимодействует с материей, он может производить уникальные квазичастицы, называемые поляритонами, которые наполовину состоят из света и наполовину из материи. В последние десятилетия физики исследовали реализацию поляритонов в оптических резонаторах и их значение для разработки высокоэффективных лазеров или других технологий.

Исследователи из Университета Манитобы недавно разработали высокоэффективное устройство на основе магнонных поляритонов резонатора, которое может излучать и усиливать микроволны. Было обнаружено, что это устройство, представленное в Physical Review Letters, значительно превосходит ранее предложенные твердотельные устройства для когерентного микроволнового излучения и усиления при комнатной температуре.

«В 1992 году Клод Вейсбуш, французский физик (специалист по полупроводникам), работающий в Японии, открыл поляритон резонаторного экситона , удерживая свет в квантовой микрорезонаторе для взаимодействия с полупроводниками», — рассказал Phys.org исследователь Кан-Минг Ху, руководивший исследованием.

«Это привело к изобретению поляритонных лазеров с превосходными характеристиками, которые изменили технологию твердотельных лазеров. Два десятилетия спустя сообщество магнетистов заново открыло резонаторный магнонный поляритон, удерживая микроволны в резонаторе для взаимодействия с магнитными материалами, такими как полуфотоны, а полумагнонная квазичастица была впервые обнаружена Джо Артманом и Питером Танненвальдом в 1955 году в Массачусетском технологическом институте, что до недавнего времени оставалось практически незамеченным».

Беспроводная связь и квантовые информационные технологии требуют встроенных когерентных микроволновых источников. Руководствуясь этой потребностью, Ху и его коллеги приступили к изучению потенциального использования поляритонов резонаторных магнонов для достижения высококачественного микроволнового излучения и усиления.

«Заинтригованный сходством между поляритоном резонаторного магнона и поляритоном экситона резонатора, мне стало любопытно, может ли магнон-поляритон резонатора помочь нам создать более совершенные твердотельные микроволновые источники», — сказал Ху. «Итак, в 2015 году моя группа начала исследование по изучению микроволнового излучения поляритонов магнонов резонатора».

Первоначально исследователи намеревались создать систему, связанную со светом и веществом, на основе магнонных поляритонов резонатора для когерентного микроволнового излучения. В конечном итоге они надеялись достичь более высоких характеристик, чем те, о которых сообщалось в предыдущих работах, сохранив при этом стабильность и управляемость своего устройства как гибридной системы, связанной со светом и материей.

«Во-первых, мы следуем принципу, предложенному в 1920 году голландским физиком ван дер Полом: используя нелинейное демпфирование для балансировки усиления в усиленной колебательной системе, можно спроектировать и оптимизировать резонатор со стабильным усилением», — говорит Биму Яо, доцент Китайская академия наук, проводившая это исследование в Университете Манитобы, сообщила Phys.org. «Затем мы помещаем магнитный материал в такой микроволновый резонатор с усилением, позволяя усиленным микроволнам сильно взаимодействовать с магнонами».

Сильное взаимодействие между усиленными микроволнами и магнонами в системе исследователей создает новый тип поляритона, который они назвали поляритоном с усилением. По сравнению с обычными поляритонами, реализованными в предыдущих исследованиях, этот поляритон с усилением имеет стабильную фазу, что, в свою очередь, обеспечивает когерентное излучение микроволновых фотонов.

«В течение десятилетий сообщество специалистов по магнетизму работало над спин-токовым генератором (STO), который представляет собой твердотельное устройство, использующее магноны для создания когерентных микроволн», — сказал Йонгшэн Гуй, научный сотрудник Университета Манитобы, который провел исследование, рассказал Phys.org. «Главное препятствие заключается в том, что мощность излучения STO обычно ограничена менее чем 1 нВт. Выходная мощность нашего устройства в миллион раз выше, а коэффициент качества излучения в тысячу раз лучше».

В первоначальных оценках экспериментальное устройство, созданное этой группой исследователей, добилось замечательных результатов, превзойдя как STO, так и твердотельные мазеры, разработанные в прошлом. Мазеры — это устройства, использующие вынужденное излучение атомов для усиления или генерации микроволнового излучения.

«Помимо магнетизма, были предприняты различные усилия по разработке мазеров», — сказал Гуй. «По сравнению с лучшим твердотельным мазером выходная мощность нашего устройства в миллиард раз мощнее при сравнимом коэффициенте качества излучения».

Новый поляритон с усилением, реализованный Ху и его коллегами, может открыть новые захватывающие возможности для разработки высокопроизводительных твердотельных микроволновых источников, которые можно интегрировать в микросхему. В дополнение к своим компактным размерам, эти поляритонные микроволновые источники могут перестраиваться по частоте благодаря невероятной управляемости взаимодействия света и материи. В конечном итоге они могут быть интегрированы в широкий спектр технологий и устройств, включая системы беспроводной связи и квантовые компьютеры.

«Поскольку физика управляемого усилением взаимодействия света и материи является новой, наше исследование может также привести к новым открытиям, выходящим за рамки микроволновых приложений», — добавил Ху. «Теперь мы подали заявку на патент, и мои студенты работают над разработкой прототипов устройств вместе с отраслевыми партнерами».