Laser âm thanh đầu tiên – SASER

Âm thanh có tần số rất cao này có thể dùng thăm dò bên trong các vật nhỏ và khả năng tạo ra các tia giống như tia laser của âm thanh có thể dẫn đến các ứng dụng chụp ảnh mới. Thật vậy, sự khác nhau giữa hai linh kiện này cho phép giả thiết SASER có thể được tạo ra để hoạt động trong một dải tần số rộng. Laser là dạng ánh sáng kết hợp được tạo ra từ một linh kiện mà trái tim là một môi trường với sự chuyển rời điện tử bao gồm sự phát xạ ra một photon. Môi trường này được bơm nhờ một nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài sao cho các điện tử đa số sẽ ở mức năng lượng cao. Khi xảy ra quá trình chuyển về mức năng lượng thấp, nó sẽ phát ra một photon, và kích thích để phát ra các photon khác, và các photon này sẽ kích thích để tạo ra sự phát xạ lớn hơn. Bởi vì chúng được tạo ra trong cùng một quá trình lượng tử nên các photon phát ra sẽ là ánh sáng kết hợp (có cùng tần số, pha). Cũng giống như ánh sáng, sóng âm thanh có thể được mô tả trên quan điểm các hạt khác gọi là các phonon – là hạt trường của năng lượng dao động mà có hành vi tương tự như các photon. Trong khi không có lý do để sự phát xạ cảm ứng không thể làm việc với các phonon, các nhà vật lý lại phải đánh vật với việc tìm ra vật liệu nào có thể có quá trình phá xạ cảm ứng hơn là các phát xạ tự phát ngẫu nhiên – là một quá trình tắt dần.

Và mới đây, hai nhóm nghiên cứu độc lập đã đi đến hai giải phát rất khác nhau cho bài toán này. Nhóm nghiên cứu của Tony Kent cùng các cộng sự ở Đại học Nottingham (Vương quốc Anh) đã tạo ra SASER hoạt động ở tần số khoảng 440 GHz. Linh kiện của họ gồm có nhiều lớp khác nhau các bán dẫn Gallium Arsenide (GaAs) và điện môi Aluminium Arsenide (AlAs). Các lớp GaAs hoạt động như một giếng lượng tử để bẫy các điện tử. Nếu một điện trường dịch được đặt vào lớp này, các điện tử sẽ có xu hướng nhảy qua các lớp rào thế AlAs để nhảy sang lớp giếng khác, và quá trình này phát ra một phonon. Điều cốt yếu là sự nhảy này có thể kích thích bằng một phonon tương tự. Để đảm bảo rằng các phonon nảy qua nảy lại giữa các cấu trúc giống như các photon bật qua lại giữa hai gương trong hốc laser, nhóm đã thiết lập khoảng các giữa các lớp liên tục là cộng hưởng với bước sóng của phonon. Linh kiện được thử nghiệm bằng cách đốt bằng một laser xung femto giây tại một đầu của cấu trúc lớp. Sự đốt này tạo ra các phonon kích hoạt cho quá trình bức xạ cảm ứng. Một xung laser thứ hai phát ngược trở lại để đo độ phản xạ của vật liệu trong phạm vi một trăm pico giây. Kent và các cộng sự đã quan sát thấy sự dao động trong độ phản xạ và tạo ra các phonon kết hợp. Nhóm cũng tăng thế hiệu dịch từ 80 mV đến 180 mV, và quan sát thấy sự tăng của biên độ các phonon kết hợp, và đạt đỉnh cực đại ở 160 mV trước khi suy giảm ở hiệu điện thế cao hơn. Và theo Kent , đỉnh này xảy ra khi bước sóng phonon cộng hưởng trong linh kiện.

Trong khi đó, nhóm nghiên cứu ở Viện Công nghệ California (Caltech, Hoa Kỳ) lãnh đạo bởi Ivan Grudinin cùng các cộng sự đã sử dụng hai bộ cộng hưởng sóng vi ba với đường kính khoảng 6 µm được tạo ra bởi silica để tạo ra sự chuyển rời sinh phonon cho các SASER của họ. Các bộ cộng hưởng này ngăn cách nhau bởi một khe khoảng 1 µm, đủ nhỏ để các linh kiện có thể được liên kết bởi sóng ánh sáng để tạo ra hệ lượng tử hai trạng thái. Một tia laser được dùng để bơm hệ lên trạng thái năng lượng cao. Các phonon ở tần số MHz được phát xạ, đồng thời sẽ kích thích cho các bức xạ tiếp theo của phonon. Nhóm nghiên cứu đã khẳng định rằng hệ là một laser phonon bằng cách thay đổi công suất bơm và quan sát sự bức xạ không có âm thanh cho đến khi đạt mức ngưỡng mà trên đó, công suất sẽ tăng một cách nhanh chóng và sóng âm thanh sẽ được bức xạ trong một dải tần số rất hẹp.

Kent (Nottingham) nói trên physicsworld.com rằng hai cách tiếp cận chính là sự kết hợp bổ sung cho nhau, và có thể sử dụng một trong hai linh kiện để tạo ra các phonon kết hợp ở một tần số bất kỳ trong dải tần số từ MHz đến GHz.SASER tần số THz có thể rất hữu ích trong công nghệ nano bởi vì các phonon này có tần số trong khoảng nanomet và có thể dâm xuyên tương đối sâu vào các cấu trúc vật rắn, mở ra khả năng chụp ảnh ba chiều các cấu trúc nano. Điều này không giống với các kỹ thuật phân tích đương thời như kính hiển vi điện tử quét chỉ giới hạn với phân tích bề mặt. SASER cũng có thể được dùng để tạo ra các sai hỏng tuần hoàn trong vật liệu để điều biến các tính chất quang, điện của vật liệu. Điều này có thể được sử dụng để tạo ra các cổng đóng ngắt cực nhanh, hoặc sinh ra các bức xạ điện từ tần số THz – đang là một khó khăn đương thời.

“Bước tiếp theo sẽ là tối ưu hóa linh kiện để tăng các âm thanh kết hợp phát ra và cực tiểu hóa các nhiễu nền từ sự phát xạ tự phát” – Kent nói. “Chúng tôi cũng đang làm việc trên các linh kiện mà có thể tổ hợp với SASER để tạo ra dạng “phòng thí nghiệm âm trên một con chip” để đo đạc các cấu trúc nano”. Các kết quả của hai nhóm nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 104 083901 (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v104/i8/e083901) và Phys. Rev. Lett. 104 085501 ( http://prl.aps.org/abstract/PRL/v104/i8/e085501) ), Theo Physicsworld.com & Physical Review Letters.