新的准粒子连接微波和光学领域

在今天(9月18日)《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中，来自德国柏林Paul-Drude-Institut和阿根廷巴里洛切巴尔塞罗研究所的研究人员证明，光和GHz声音的受限量子流体的混合导致一种难以捉摸的声子准粒子的出现——部分是光量子(光子)、声量子(声子)和半导体激子。这一发现开辟了一种在光域和微波域之间相干转换信息的新方法，为光子学、光机械和光通信技术领域带来潜在的好处。

研究小组的工作从日常现象中汲取灵感：两个耦合振荡器之间的能量转移，例如通过弹簧连接的两个摆。在特定的耦合条件下，称为强耦合(SC)状态，能量在两个不再独立的摆之间连续振荡，因为它们的频率和衰减率与非耦合摆不同。振荡器也可以是光子或电子量子态：在这种情况下，SC机制是量子态控制和交换的基础。

在上面的例子中，假设两个摆具有相同的频率，即共振。然而，混合量子系统需要频率很大程度上不同的振荡器之间的相干信息传输。这里，一个重要的例子是量子计算机网络。虽然最有前途的量子计算机使用微波量子位(即几GHz)运行，但量子信息是使用近红外光子(100dsTHz)有效传输的。

然后，需要在这些域之间进行量子信息的双向一致传输。在许多情况下，微波量子位和光子之间的直接转换效率非常低。在这里，一种替代方案是通过第三个粒子来介导转换，该粒子可以有效地耦合到微波量子位和光子。一个很好的候选者是晶格(声子)的GHz振动。

1982年，Keldysh和Ivanov为光和声子之间的SC奠定了理论基础，他们预测半导体晶体可以通过另一种准粒子：激子极化子将光子和声子混合。极化子是由光子和激子之间的强耦合产生的。当声子发挥作用时，它可以耦合两个极化子振荡器，其频率与声子的频率完全不同。如果耦合足够大，即在SC状态下，就会导致形成一种新的准粒子——声子，它是激子、光子和声子的混合物。

然而，由于对声子出现的严格实验要求，关于声子形成的报道很少。除了这种新颖的基本半导体激发的发现具有科学重要性之外，声导子还可以成为相干微波到光频率转换的新的有前途的媒介。

在他们的工作中，AlexanderKuznetsov及其同事在图2(a)所示类型的图案化微腔谐振器中创建了极化激元。微腔内微米尺寸的较厚区域充当370THz极化子和5至20GHz声子的混合陷阱。捕获增强了两个粒子之间的相互作用，这是声导子形成的重要要求。

通过以光学方式将更多的极化子注入陷阱中，该团队创造了两种极化子凝聚体，其特点是非常明亮且光谱窄(sub-GHz)的发射线。与传统激光器不同，极化激元具有很强的粒子间相互作用，因此被称为光的“量子流体”。由于这些相互作用，两种轻流体之间的能量分裂可以通过使用外部激光器控制它们的密度来精确调节。

当能量分裂与声子能量匹配时，两种极化子流体同步，见图2(b)。这种同步是由于非线性极化子-极化子相互作用和由声子的吸收和发射介导的光流体之间极化子的有效转移的组合所致。研究发现，极化子态之间的声子诱导耦合超过了其衰变率，标志着声子的出现。

然后，作者使用在微腔顶部和陷阱周围制造的压电换能器，通过微波控制该设备并将7GHz声子注入陷阱中。在注入声子的情况下，声子谱转变为窄共振梳(或声子边带)，如图2(c)所示。

中心峰左(右)的边带对应于声子的相干发射(吸收)，从而证明了双向微波光转换。有趣的是，与传统的光机械系统不同，在传统的光机械系统中，声子直接与光子相互作用，相互作用的强度仅取决于光子的数量，在这里，相互作用与极化子和声子群体都成比例。

总之，库兹涅佐夫及其同事的工作定制了图案化半导体微腔的光子、电子和声子共振，以证明声子以及半导体系统中的相干双向微波光转换。

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