Lasing - a emissão de um feixe de luz colimado com um comprimento de onda (cor) e fase bem definidos - resulta de um processo de auto-organização, em que uma coleção de centros de emissão se sincroniza para produzir partículas de luz idênticas (fótons). Um fenômeno de sincronização auto-organizado semelhante também pode levar à geração de vibrações coerentes - um laser de fônon, onde phonon denota, em analogia aos fótons, as partículas quânticas do som.

O laser de fóton foi demonstrado pela primeira vez há cerca de 60 anos e, coincidentemente, 60 anos após sua previsão por Albert Einstein. Essa emissão estimulada de luz amplificada encontrou um número sem precedentes de aplicações científicas e tecnológicas em múltiplas áreas.

Embora o conceito de "laser de som" tenha sido previsto quase ao mesmo tempo, apenas poucas implementações foram relatadas até agora e nenhuma atingiu maturidade tecnológica. Agora, uma colaboração entre pesquisadores do Instituto Balseiro e Centro Atómico em Bariloche (Argentina) e Paul-Drude-Institut em Berlim introduziu uma nova abordagem para a geração eficiente de vibrações coerentes na faixa de dezenas de GHz usando estruturas semicondutoras. Interessantemente, esta abordagem para a geração de fônons coerentes é baseada em outra das previsões de Einstein:a do 5º estado da matéria, um condensado de Bose-Einstein (BEC) de partículas acopladas de matéria leve (polaritons).

O polariton BEC é criado em uma armadilha microestruturada de uma microcavidade semicondutora que consiste em centros eletrônicos ensanduichados entre refletores de Bragg distribuídos (DBRs) projetados para refletir a luz da mesma energia ℏωC emitida pelos centros (cf. Fig. 1a). Quando excitado opticamente por um feixe de luz com uma energia diferente ℏωL, para o qual o DBR é transparente, os estados eletrônicos dos centros emitem partículas de luz (fótons) na energia ℏωC, que são refletidos de volta nos DBRs. Os fótons são então reabsorvidos pelos centros. A sequência rápida e repetitiva de eventos de emissão e reabsorção torna impossível distinguir se a energia é armazenada em um estado eletrônico ou fotônico. Em vez disso, diz-se que a mistura entre os estados cria um novo, partícula de matéria leve, chamado polariton. Além disso, sob uma alta densidade de partículas (e ajudado pela localização espacial induzida pela armadilha), os polaritons entram em um estado auto-organizado semelhante aos fótons de um laser, onde todas as partículas se sincronizam para emitir luz com a mesma energia e fase - um laser polariton BEC. A assinatura característica do polariton BEC é uma linha espectral muito estreita ilustrada pela curva azul na Fig. 1b, que pode ser detectado medindo a radiação evanescente que escapa da microcavidade.

Outra propriedade interessante dos espelhos de microcavidade (DBRs) usados ​​é a capacidade de refletir não apenas óticas (luz), mas também vibrações mecânicas (som) dentro de uma faixa específica de comprimentos de onda. Como consequência, uma microcavidade AlGaAs típica para fótons no infravermelho próximo também confina quanta de vibrações - fônons - com a energia ℏωa correspondendo à frequência de oscilação ωa / 2p de aproximadamente 20 GHz. Como a reflexão do fóton pelos DBRs fornece o feedback necessário para a formação de um polariton BEC, a reflexão do fônon leva a um acúmulo da população de fônons, bem como a um aumento da interação do fônon com o polariton BEC.

Como ocorre a interação entre polaritons e fônons? Como o ar em um pneu, uma alta densidade de polaritons condensados ​​exerce uma pressão sobre os espelhos da microcavidade, que pode desencadear e sustentar oscilações mecânicas na frequência dos fônons confinados. Essas oscilações respiratórias modificam as dimensões da microcavidade, agindo assim de volta no polariton BEC. É essa interação optomecânica acoplada que dá origem à emissão coerente de som acima de uma densidade de polariton crítica. Uma impressão digital dessa emissão coerente de fônons é a autopulso da emissão de BEC sob excitação contínua por um laser com a energia ℏωL. Este autopulso é identificado pelo surgimento de bandas laterais fortes em torno da emissão do polariton BEC deslocada pelos múltiplos da energia do fônon ℏωa (cf. a curva vermelha na Fig. 1b).

A análise da amplitude das bandas laterais na Fig. 1b mostra que centenas de milhares de fônons monocromáticos povoam o estado vibracional resultante e são emitidos em direção ao substrato como um feixe de laser de fônon coerente de 20 GHz. Uma característica essencial do projeto é a estimulação dos fônons por um emissor de luz interno altamente intenso e monocromático - o polariton BEC - que pode ser excitado não apenas opticamente, mas também eletricamente, como em um Laser Emissor de Superfície de Cavidade Vertical (VCSEL). Além disso, frequências de fônons mais altas podem ser alcançadas por meio de modificações apropriadas no projeto da microcavidade. As aplicações potenciais do laser de fônon incluem o controle coerente de feixes de luz, emissores quânticos, e portas em dispositivos de comunicação e informação quântica, bem como conversão bidirecional de luz para micro-ondas em uma ampla faixa de frequência de 20-300 GHz, relevante para tecnologias de rede futuras.