聲光耦合新發現共鳴支柱將光和聲放在量子疊加中

知識 08-01

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近年來，將聲光耦合在一起是很有意義的。研究人員說道，我們已經做了很長時間了，但是我們一直在如何將自然物質整合在一起的方面受到限制。現在，隨著我們構建尺寸合適的結構的能力，我們可以使設備真正給予它們的調諧。

這種控制已經被證明在一個特殊的方式，最近，研究人員組合了將燈光轉換為持久，非常高頻的聲波的微支柱。

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大自然當然可以讓聲音和光線以不同的方式一起結合。例如，如果氣體吸收光，則會升高和膨脹，因此將光照射到氣體中將以閃爍的頻率產生聲波。測量材料如何吸收光的最靈敏的技術之一就是利用這一點。

令人驚訝地發現表明，互聯網依賴於發光的聲波。為了放大沿光纖行進的光線，我們放置了一個強大的光場，其顏色比攜帶信號的光稍微更藍。藍光激發光纖中的聲波 - 這些是具有THz（10 12 Hz）頻率的聲波，而可聽見的聲音在kHz範圍內。通過產生聲波，藍光失去能量並變得更紅。來自信號的光子作為種子，激勵產生聲波的過程產生放大信號的紅色光子，而不是以任何更紅的顏色隨機產生光。

該放大過程的關鍵要求是在光纖情況下的材料玻璃必須支持所需頻率的聲波。顯然那不是限定的。可以由材料支撐的聲波由組分原子的質量和原子之間的鍵的強度控制。

我們希望在這方面有更多的自由。例如，通過更好的控制，我們可以創建聲音激光（「sasers」）。這意味著我們需要控制如何將材料放在一起的聲波長度。對於可聽頻率，這是可行的 - 認為吉他弦，發聲板和器官管。但是對於GHz和THz範圍內的聲頻，波長小於一微米，這使製造更加困難。最大的問題不在於大小，不像光，聲波真的感覺到他們正在穿過的材料。任何不完美的感覺都是敏銳的，聲波在這些不完美的地方將被分散和迷失。

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為了讓聲音和光線按照指示一起玩，研究人員構建了與聲音和光線共鳴的小支柱。柱子由砷化鎵和砷化砷的層製成。這兩種材料的晶體結構幾乎完全相同，所以這兩種材料相互之間非常整齊地生長。這創建了幾乎沒有缺陷的界面。但是這些材料足夠不同，這些界面相當強烈地反映了聲音和光線。這是不尋常的。許多類似的材料具有不同的光學性質，但是它們的聲學特性足夠相似，使得它們的聲反射非常弱。

現在來了一個新的驚人發現：通過以正確的間距生長兩種材料的重複層，創建了許多聲光反射。對於與層間距相匹配的聲光波長，反射全部加起來形成一個非常高反射的鏡子。

這兩個鏡子中的兩個在兩者之間生長著小的間隙，創造了一個微小的空間，聲音和光線都在反射鏡之間來回反射。該空腔建立了非常高的聲波和光波強度。光和聲有從兩邊逃出來。為了防止這種情況，研究人員將大部分材料蝕刻掉，留下幾毫米的柱子。在這些尺度上，支柱和空氣之間的界面也強烈地反射光和聲音，並將它們限制在鏡子之間的間隙上。

為了用光激發聲波，研究人員利用與聲波壽命相比非常短的光脈衝來轟擊支柱。一些光被材料吸收，建立一個短暫的，尖銳的物質運動波。鏡子只選擇一個聲音波長，並在它們之間來回傳播。研究人員表明，這種聲波依賴於聲頻，持續5到20納秒。

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這是非常顯著的，因為這些聲波具有在20至100GHz範圍內的頻率，其傾向於在非常短的時間內被衰減。這告訴我們，這兩種材料幾乎完美匹配，並且在界面和散裝材料中幾乎沒有缺陷，甚至側壁非常光滑。

研究人員表明，聲音生成過程就像上面的光纖放大器一樣。脈衝中的藍色光的一小部分被吸收以產生聲波。而且，如果您在短時間內發送第二個光脈衝，則會吸收紅色部分的光脈衝以消除聲波。

研究人員當然有自己的想法，他們計劃如何處理這些設備。他們都是基本的量子力學：我們可以拿這樣一個支柱，把一個聲子（聲音等同於光子）放在支柱上嗎？我們可以在這麼高的頻率下糾纏聲子和光子嗎？

這是什麼意思？想像一下在一個平衡鏡（你實際上需要兩個鏡子來匹配我在下面描述的，但讓我們保持簡單）。根據量子力學，鏡子不能靜止，它要有最小的運動幅度。現在，我們在鏡子上發送一個光子。光子反射出鏡子，可能會發生兩件事情。光子的反射可以足以驅動鏡子更大的振動。如果是這種情況，那麼光子將會有一個稍微不同的顏色（會更紅）。如果沒有振動，則光子保持相同的顏色。