当光与物质发生强烈相互作用时，它会产生独特的准粒子，称为极化子，它一半是光，一半是物质。近几十年来，物理学家探索了极化激元在光腔中的实现及其对开发高性能激光器或其他技术的价值。
马尼托巴大学的研究人员最近开发了一种基于腔磁振子极化激元的高性能设备，可以发射和放大微波。该设备在Physical Review Letters中介绍，被发现在室温下相干微波发射和放大方面明显优于先前提出的固态设备。
“1992 年，在日本工作的法国半导体物理学家克劳德·韦斯布什 (Claude Weisbush)通过将光限制在量子微腔中与半导体相互作用，发现了腔激子极化子，”指导该研究的研究员胡灿明告诉 Phys.org。
“这导致了具有卓越性能的极化子激光器的发明，这些激光器已经改变了固态激光技术。二十年后，磁学界通过将微波限制在空腔中与磁性材料相互作用，重新发现了腔磁振子极化子，例如半光子1955 年，麻省理工学院的 Joe Artman 和 Peter Tannenwald 首次发现了半磁子准粒子，直到最近才引起人们的注意。”
无线通信和量子信息技术需要相干的片上微波源。出于这种需要，胡和他的同事们开始探索腔磁振子极化激元的潜在用途，以实现高质量的微波发射和放大。
“我对腔磁子极化子和腔激子极化子之间的相似性很感兴趣，我很好奇腔子极化子是否可以帮助我们制造更好的固态微波源，”胡说。“因此，在 2015 年，我的团队开展了一项研究，探索腔磁子极化子的微波发射。”
研究人员最初着手创建一个基于腔磁子极化子的光-物质耦合系统，用于相干微波发射。他们最终希望实现比之前工作中报告的性能更高的性能，同时保持其设备作为混合光物质耦合系统的稳定性和可控性。
“首先，我们遵循荷兰物理学家 van der Pol 于 1920 年提出的原理：利用非线性阻尼来平衡放大振荡系统中的增益，可以设计和优化稳定的增益驱动腔，”该研究所副教授 Bimu Yao 说。在曼尼托巴大学开展这项研究的中国科学院告诉 Phys.org。“然后，我们将磁性材料放入这种增益驱动的微波腔中，让放大的微波与磁振子发生强烈相互作用。”
研究人员系统中放大的微波和磁子之间的强烈相互作用产生了一种新型的极化子，他们称之为“增益驱动”极化子。与以往研究中实现的传统极化激元相比，这种增益驱动的极化激元具有稳定的相位，从而能够实现微波光子的相干发射。
“几十年来，磁学界一直致力于自旋力矩振荡器 (STO)，这是一种利用磁振子产生相干微波的固态设备，”马尼托巴大学的研究员桂永生说。研究，告诉 Phys.org。“主要障碍是 STO 的发射功率通常限制在 1 nW 以下。我们设备的输出功率高出一百万倍，发射品质因数高出一千倍。”
在初步评估中，由这组研究人员创建的原理验证设备取得了显著成果，优于过去开发的 STO 和固态微波激射器。微波激射器是利用原子辐射的受激发射来放大或产生微波辐射的装置。
“在磁学界之外，已经有多种开发脉泽的努力，”桂说。“与最好的固态微波激射器相比，我们的设备输出功率高出十亿倍，发射质量系数相当。”
胡和他的同事实现的新增益驱动极化激元可以为开发可集成在芯片上的高性能固态微波源开辟令人兴奋的新可能性。除了紧凑的尺寸外，由于光-物质相互作用的极佳可控性，这些极化子微波源的频率可调。它们最终可以集成到广泛的技术和设备中，包括无线通信系统和量子计算机。
“由于增益驱动的光物质相互作用的物理学是新的，我们的研究也可能导致微波应用之外的新发现，”胡补充道。“我们现在已经提交了专利申请，我的学生正在与行业合作伙伴一起开发原型设备。”
